Supercondutividade. História e essência da descoberta científica

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Mesmo na antiguidade notou-se que o estado de agregação da matéria depende de condições externas. O exemplo mais marcante e ilustrativo é a transformação da água em gelo e vapor. O gás (amônia) foi liquefeito pela primeira vez em 1792 pelo físico holandês M. van Marum. Michael Faraday, a partir de 1823, converteu vários gases em estado líquido de uma só vez: cloro, dióxido de enxofre e dióxido de carbono.

O processo não foi difícil, porque os gases intermediários se liquefazem a uma temperatura bastante alta. Os gases verdadeiros são outra questão. Demorou mais de cinquenta anos até que conseguissem convertê-los em estado líquido. Em 1877, R. Pictet e L. Calhete obtiveram oxigênio líquido e nitrogênio líquido. Em escala industrial, a liquefação do ar foi realizada pelo engenheiro alemão K. Linde somente em 1895.

Agora, parecia, de acordo com o esquema já elaborado, seria fácil transferir qualquer outro gás para o estado líquido. Mas não estava lá. De fato, a grande maioria dos gases esfria durante a expansão. No entanto, hidrogênio obstinado, néon e hélio se comportam "desonestamente" - eles aquecem ao se expandir.

Uma saída foi encontrada no final do século XIX. Descobriu-se que, para obter hidrogênio e hélio líquidos, você só precisa pré-resfriá-los a uma temperatura relativamente baixa.

Olshevsky em Cracóvia, Kamerling-Onnes na Holanda e Dewar na Inglaterra tentaram simultaneamente obter hidrogênio líquido. Dewar ganhou esta competição: em 10 de maio de 1898, ele recebeu 20 centímetros cúbicos de hidrogênio líquido. Alguns meses depois, ele conseguiu obter hidrogênio sólido. Apenas 14 graus o separavam do zero absoluto.

Mente brilhante, excelente arte do experimentador e excelente erudição ajudaram James Dewar a se tornar um dos pioneiros da tecnologia criogênica. Vale ressaltar que tanto o termo em si (do grego "kryos" - frio), quanto o famoso "recipiente Dewar" pertencem a ele.

Mas o hélio se recusou teimosamente a se submeter. Somente em 9 de julho de 1908 chegou a notícia de que o Dr. Heike Kamerling-Onnes (1853-1926) da Universidade de Leiden havia liquefeito o hélio. Ele contrariou a intuição e a habilidade de Dewar com um sistema, com as habilidades de um grande organizador. O famoso laboratório Kamerling-Onnes em Leiden, do qual se tornou diretor aos 29 anos, é considerado o primeiro modelo de um instituto de pesquisa do século XX.

"No final do experimento, Kamerling-Onnes fez uma tentativa de obter hélio sólido", escreve R. Bakhtamov. "Ele falhou. Ele falhou mais tarde, quando atingiu uma temperatura de 1,38 e depois 1,04 graus Kelvin. razões para isso fenômeno estranho, ele, no entanto, se forçou a recuar e passou para o próximo ponto do programa planejado - para o estudo das propriedades dos metais na temperatura do hélio.

Onnes mediu a resistência elétrica do ouro, da platina e absorveu o mercúrio. E então começaram as surpresas. Em 28 de abril de 1911, ele relatou à Royal Netherlands Academy que a resistência do mercúrio havia atingido um valor tão baixo que "os instrumentos não a detectaram". Em 27 de maio, a mensagem foi esclarecida: a resistência do mercúrio não cai de forma gradual, mas brusca, abrupta, e diminui tanto que se pode falar em "desaparecimento da resistência".

Em um artigo publicado em março de 1913, Onnes usou o termo "supercondutividade" pela primeira vez. Depois de mais 11 anos, ele começará a entender algo nesse estranho fenômeno. Em 50 anos, o fenômeno será explicado, embora não completamente. Várias vezes Onnes observou outro fenômeno bastante estranho - uma mobilidade incomumente alta de hélio. Mas já era tão antinatural que Onnes nem tentou entender alguma coisa.

Ele continuou sua linha, aproximando-se cada vez mais do zero absoluto. Ele usou, em essência, um método: para reduzir a pressão de vapor do hélio líquido, instalou bombas cada vez mais potentes. No final, Onnes atingiu 0,83 graus Kelvin. Parecia ser o limite. Porém, em abril de 1926 - dois meses após a morte de Kamerling-Onnes - o professor americano Latimer, tendo desenvolvido a ideia do canadense William Gioka, propôs um novo método de resfriamento - magnético. Em 1956, Francis Simon, de Oxford, obteve uma temperatura de 0,00001 graus Kelvin, apenas um centésimo de milésimo de grau acima do zero absoluto.

Surpreendentemente, apenas trinta anos após a liquefação do hélio, sua propriedade mais exótica, a superfluidez, foi descoberta, embora milhares de experimentos tenham sido realizados. Mas um dia um grupo de cientistas canadenses ainda ousou fazer uma descrição, recusando-se resolutamente a tirar conclusões. "A conclusão correta sobre um novo fenômeno", observaram eles, "não é difícil de chegar, mesmo para um aluno do primeiro ano. Mas apenas físicos maduros e experientes assumiriam a responsabilidade de assumir seriamente que a condutividade térmica de um líquido repentinamente aumenta milhões de vezes.”

No início de 1938, a Nature publicou dois artigos. Um deles pertencia a um cientista soviético P.L. Kapitsa, e o outro para Allen e Mizenar da Universidade de Cambridge. Seus resultados e conclusões coincidiram: o fluxo de hélio líquido é quase totalmente desprovido de viscosidade. É Kapitsa quem possui o termo "superfluidez", que se tornou geralmente aceito. Surpreendentemente, os átomos de hélio e os elétrons livres de um metal se comportam da mesma maneira. Essa descoberta permitiu conectar os dois fenômenos: supercondutividade e superfluidez de um fluxo de elétrons em um condutor.

A supercondutividade foi descoberta no início do século, mas foi somente em 1957 que Bardeen, Cooper e Schriefer conseguiram dar uma explicação satisfatória para o fenômeno da supercondutividade construindo uma teoria que leva seu nome (teoria BCS).

"O que acontece em um supercondutor?" Regge pergunta em seu livro. "A resposta completa para essa pergunta é longa e complicada. Normalmente, dois elétrons se repelem no vácuo, mas em um metal, as cargas positivas dos núcleos protegem o cargas negativas dos elétrons, e a repulsão pode desaparecer quase completamente.Em muitos casos, a blindagem acaba sendo incompleta, e então a supercondutividade não é observada.

Em alguns casos, a rede encolhe em torno de um elétron, criando assim uma nuvem de cargas positivas que envolve esse elétron e atrai outros elétrons. O resultado é uma leve atração entre os elétrons. Como essa atração é fraca, ela apenas faz com que os elétrons se movam em pares; assim, há uma ligação semelhante a uma química, mas milhares de vezes mais fraca. Consequentemente, um par de Cooper é semelhante a uma molécula de "dois elétrons", e a transição para o estado de supercondutividade pode ser considerada como a transformação de um gás de elétrons em um gás constituído por tais "moléculas". Um fenômeno semelhante ocorre na química: por exemplo, se o oxigênio diatômico é aquecido, ele se decompõe em átomos únicos que podem se recombinar quando resfriados.

O gás de elétrons que se move no metal se condensa em um líquido de pares de Cooper, que chamaremos de "condensado". O raio de tal par é de aproximadamente 300 angstroms, que é muito maior que a distância entre átomos vizinhos (vários angstroms). Em um mar de pares de Cooper, é difícil imaginar ondulações ou ondas mais curtas que os próprios pares. Portanto, heterogeneidades de rede com dimensões não superiores a dez angstroms não representam obstáculos para o fluxo de condensado e não ocorre perda de energia. Esta é a principal causa da supercondutividade."

Ainda é difícil imaginar todas as consequências dessa descoberta. O efeito da supercondutividade já foi usado com sucesso em trens Maglev japoneses de alta velocidade. “Sistemas magnéticos supercondutores com características únicas foram criados e estão funcionando”, escreve R. Bakhtamov.“A Lockheed, por exemplo, construiu um eletroímã que pesa 85 quilos e produz um campo magnético de 15 oersteds.

Os maiores ímãs supercondutores com um campo de 30-40 mil oersteds e um tamanho de cerca de 4 metros já estão trabalhando em vários laboratórios aceleradores na Europa e na América, foram criados ímãs com um campo de até 170 mil oersteds.

O trabalho está em andamento para criar as maiores máquinas elétricas - turbo e hidrogeradores com sistemas de excitação supercondutores.

Os supercondutores abrem possibilidades completamente novas na criação de computadores. A corrente em sistemas supercondutores é um dispositivo de armazenamento ideal capaz de armazenar uma enorme quantidade de dados e emiti-los a uma velocidade fantástica...

Já foram obtidas ligas que retêm a supercondutividade em 18–20 graus Kelvin. A criação de uma substância que teria propriedades a uma temperatura de pelo menos 100 graus Kelvin levaria a uma revolução na engenharia elétrica. A ciência moderna acredita que a tarefa é real e as consequências de sua solução serão definidas em uma palavra - fantástica.

Autor: Samin D. K.

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A primeira suspensão ativa GenShock do mundo possui amortecedores ativos de pressão variável. Válvulas especiais alteram a pressão dentro do amortecedor dependendo do tipo e qualidade da superfície da estrada. O amortecedor está equipado com uma unidade de controle eletrônico, uma bomba de engrenagem e um motor elétrico que controla o movimento do fluido dentro do amortecedor. Quando o excesso de energia é gerado, como ao frear bruscamente ou dirigir em terrenos acidentados, o choque constante empurra o fluido para fora do amortecedor. O fluido aciona uma bomba de engrenagem, que por sua vez aciona um motor elétrico.

Assim, a energia cinética é convertida em energia elétrica. Ao mesmo tempo, quanto pior a estrada, mais eletricidade é gerada. Além disso, devido ao fato de que cada amortecedor é controlado individualmente, é garantida uma alta suavidade do carro, uma diminuição no rolamento nas curvas, acúmulo e bicadas durante a aceleração ou frenagem.

Claro, o amortecedor GenShock é mais complexo do que um carro convencional, mas não mais do que suspensões ajustáveis de carros de luxo modernos. Os desenvolvedores ainda não fornecem números específicos sobre quanta eletricidade seu sistema gera. Mas mesmo que a suspensão do alternador forneça energia apenas aos faróis, isso será um bom resultado, dada a maior suavidade do passeio.

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