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DÉCOUVERTES SCIENTIFIQUES LES PLUS IMPORTANTES
Supraconductivité. Histoire et essence de la découverte scientifique
Annuaire / Les découvertes scientifiques les plus importantes Même dans l'Antiquité, on notait que l'état d'agrégation de la matière dépendait des conditions extérieures. L'exemple le plus frappant et le plus illustratif est la transformation de l'eau en glace et en vapeur. Le gaz (ammoniac) a été liquéfié pour la première fois en 1792 par le physicien néerlandais M. van Marum. Michael Faraday, à partir de 1823, convertit plusieurs gaz à l'état liquide à la fois : le chlore, le dioxyde de soufre et le dioxyde de carbone. Le processus n'a pas été difficile, car les gaz intermédiaires se liquéfient à une température assez élevée. Les vrais gaz sont une autre affaire. Il a fallu plus de cinquante ans pour qu'ils parviennent à les transformer en un état liquide. En 1877, R. Pictet et L. Calete obtiennent de l'oxygène liquide et de l'azote liquide. À l'échelle industrielle, la liquéfaction de l'air n'a été réalisée par l'ingénieur allemand K. Linde qu'en 1895. Maintenant, il semblait, selon le schéma déjà élaboré, qu'il serait facile de transférer tout autre gaz à l'état liquide. Mais ce n'était pas là. En effet, la grande majorité des gaz se refroidissent lors de la détente. Cependant, l'hydrogène, le néon et l'hélium obstinés se comportent "malhonnêtement" - ils chauffent lors de l'expansion. Une issue a été trouvée vers la fin du XIXe siècle. Il s'est avéré que pour obtenir de l'hydrogène et de l'hélium liquides, il suffit de les pré-refroidir à une température relativement basse. Olshevsky à Cracovie, Kamerling-Onnes en Hollande et Dewar en Angleterre tentèrent simultanément d'obtenir de l'hydrogène liquide. Dewar remporte ce concours : le 10 mai 1898, il reçoit 20 centimètres cubes d'hydrogène liquide. Quelques mois plus tard, il parvient à obtenir de l'hydrogène solide. Seuls 14 degrés le séparaient du zéro absolu. L'esprit brillant, l'excellent art de l'expérimentateur et l'excellente érudition ont aidé James Dewar à devenir l'un des pionniers de la technologie cryogénique. Il est à noter que le terme lui-même (du grec "kryos" - froid) et le célèbre "vaisseau Dewar" lui appartiennent. Mais l'hélium a obstinément refusé de se soumettre. Ce n'est que le 9 juillet 1908 que la nouvelle est arrivée que le Dr Heike Kamerling-Onnes (1853-1926) de l'Université de Leiden avait liquéfié de l'hélium. Il a contré l'intuition et l'habileté de Dewar avec un système, avec les capacités d'un grand organisateur. Le célèbre laboratoire Kamerling-Onnes à Leyde, dont il devient directeur à 29 ans, est qualifié de premier modèle d'institut de recherche du XXe siècle. "A la fin de l'expérience, Kamerling-Onnes a tenté d'obtenir de l'hélium solide", écrit R. Bakhtamov. "Il a échoué. Il a échoué plus tard, lorsqu'il a atteint une température de 1,38, puis de 1,04 degrés Kelvin. Ne comprenant pas la cause de ce phénomène étrange, il s'est cependant forcé à battre en retraite et est passé au point suivant du programme prévu - à l'étude des propriétés des métaux à la température de l'hélium. Onnes a mesuré la résistance électrique de l'or, du platine et a pris du mercure. Et puis les surprises ont commencé. Le 28 avril 1911, il rapporta à l'Académie royale des Pays-Bas que la résistance du mercure avait atteint une valeur si faible que "les instruments ne la détectaient pas". Le 27 mai, le message est précisé : la résistance du mercure ne chute pas progressivement, mais brusquement, brusquement, et diminue tellement qu'on peut parler de "disparition de la résistance". Dans un article publié en mars 1913, Onnes utilise pour la première fois le terme "supraconductivité". Après encore 11 ans, il commencera à comprendre quelque chose à cet étrange phénomène. Dans 50 ans, le phénomène sera expliqué, bien que loin d'être complètement. Plusieurs fois, Onnes a observé un autre phénomène plutôt étrange - une mobilité inhabituellement élevée de l'hélium. Mais c'était déjà si peu naturel qu'Onnes n'essaya même pas de comprendre quelque chose. Il a poursuivi sa ligne, se rapprochant de plus en plus du zéro absolu. Il a utilisé, en substance, une méthode : pour réduire la pression de vapeur de l'hélium liquide, il a installé des pompes de plus en plus puissantes. Au final, Onnes a atteint 0,83 degrés Kelvin. Cela semblait être la limite. Cependant, en avril 1926 - deux mois après la mort de Kamerling-Onnes - le professeur américain Latimer, ayant développé l'idée du canadien William Gioka, proposa une nouvelle méthode de refroidissement - magnétique. En 1956, Francis Simon d'Oxford a obtenu une température de 0,00001 degrés Kelvin, seulement un cent millième de degré au-dessus du zéro absolu." Étonnamment, seulement trente ans après la liquéfaction de l'hélium, sa propriété la plus exotique, la superfluidité, a été découverte, bien que des milliers d'expériences aient été menées. Mais un jour, un groupe de scientifiques canadiens a encore osé donner une description, refusant résolument de tirer des conclusions. "La conclusion correcte sur un nouveau phénomène", ont-ils noté, "n'est pas difficile à tirer même pour un étudiant de première année. Mais seuls les physiciens matures et expérimentés prendraient sur eux de supposer très sérieusement que la conductivité thermique d'un liquide augmente soudainement des millions de fois." Au début de 1938, Nature publie deux articles. L'un d'eux appartenait à un scientifique soviétique PL. Kapitsa, et l'autre à Allen et Mizenar de l'Université de Cambridge. Leurs résultats et conclusions coïncidaient : le flux d'hélium liquide est presque totalement dépourvu de viscosité. C'est Kapitsa qui possède le terme "superfluidité", qui est devenu généralement accepté. Étonnamment, les atomes d'hélium et les électrons libres d'un métal se comportent de la même manière. Cette découverte a permis de relier les deux phénomènes : supraconductivité et superfluidité d'un flux d'électrons dans un conducteur. La supraconductivité a été découverte au début du siècle, mais ce n'est qu'en 1957 que Bardeen, Cooper et Schriefer ont pu donner une explication satisfaisante du phénomène de supraconductivité en construisant une théorie qui porte leur nom (la théorie BCS). "Que se passe-t-il dans un supraconducteur ?" demande Regge dans son livre. "La réponse complète à cette question est longue et compliquée. Normalement, deux électrons se repoussent dans le vide, mais dans un métal, les charges positives des noyaux protègent le les charges négatives des électrons, et la répulsion peut presque complètement disparaître.Dans de nombreux cas, le blindage s'avère incomplet, et alors la supraconductivité n'est pas observée. Dans certains cas, le réseau se rétrécit autour d'un électron, créant ainsi un nuage de charges positives qui s'enroule autour de cet électron et attire d'autres électrons. Le résultat est une légère attraction entre les électrons. Comme cette attraction est faible, elle ne fait que déplacer les électrons par paires ; ainsi, il existe une liaison similaire à une liaison chimique, mais des milliers de fois plus faible. Par conséquent, une paire de Cooper s'apparente à une molécule "à deux électrons", et le passage à l'état de supraconductivité peut être considéré comme la transformation d'un gaz d'électrons en un gaz constitué de telles "molécules". Un phénomène similaire se produit en chimie : par exemple, si l'oxygène diatomique est chauffé, il se décompose en atomes uniques qui peuvent se recombiner lorsqu'ils sont refroidis. Le gaz d'électrons se déplaçant dans le métal se condense en un liquide de paires de Cooper, que nous appellerons "condensat". Le rayon d'une telle paire est d'environ 300 angströms, ce qui est beaucoup plus grand que la distance entre atomes voisins (plusieurs angströms). Dans une mer de paires Cooper, il est difficile d'imaginer des ondulations ou des vagues plus courtes que les paires elles-mêmes. Par conséquent, des inhomogénéités de réseau de dimensions inférieures à dix angströms ne représentent pas des obstacles pour l'écoulement des condensats et aucune perte d'énergie ne se produit. C'est la cause principale de la supraconductivité." Il est encore difficile d'imaginer toutes les conséquences de cette découverte. L'effet de la supraconductivité a déjà été utilisé avec succès dans les trains Maglev japonais à grande vitesse. "Des systèmes magnétiques supraconducteurs aux caractéristiques uniques ont été créés et fonctionnent", écrit R. Bakhtamov. "Lockheed, par exemple, a construit un électroaimant qui pèse 85 kilogrammes et produit un champ magnétique de 15 XNUMX oersteds. Les plus grands aimants supraconducteurs avec un champ de 30 à 40 4 oersteds et une taille d'environ 170 mètres fonctionnent déjà dans un certain nombre de laboratoires d'accélérateurs en Europe et en Amérique, des aimants avec un champ allant jusqu'à XNUMX XNUMX oersteds ont été créés. Des travaux sont en cours pour créer les plus grandes machines électriques - turbo- et hydro-générateurs avec des systèmes d'excitation supraconducteurs. Les supraconducteurs ouvrent des possibilités complètement nouvelles dans la création d'ordinateurs. Le courant dans les systèmes supraconducteurs est un dispositif de stockage idéal capable de stocker une énorme quantité de données et de les émettre à une vitesse fantastique... Des alliages ont déjà été obtenus qui conservent la supraconductivité à 18–20 degrés Kelvin. La création d'une substance qui aurait des propriétés à une température d'au moins 100 degrés Kelvin conduirait à une révolution en génie électrique. La science moderne estime que la tâche est réelle et que les conséquences de sa solution seront définies en un mot - fantastique. Auteur : Samin D.K.
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