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DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS MÁS IMPORTANTES
Superconductividad. Historia y esencia del descubrimiento científico.
Directorio / Los descubrimientos científicos más importantes. Incluso en la antigüedad se observó que el estado de agregación de la materia depende de las condiciones externas. El ejemplo más llamativo e ilustrativo es la transformación del agua en hielo y vapor. El gas (amoníaco) fue licuado por primera vez en 1792 por el físico holandés M. van Marum. Michael Faraday, a partir de 1823, convirtió varios gases en estado líquido a la vez: cloro, dióxido de azufre y dióxido de carbono. El proceso no fue difícil, porque los gases intermedios se licuan a una temperatura bastante alta. Los gases verdaderos son otro asunto. Pasaron más de cincuenta años hasta que lograron convertirlos en estado líquido. En 1877, R. Pictet y L. Calete obtuvieron oxígeno líquido y nitrógeno líquido. A escala industrial, la licuefacción del aire fue realizada por el ingeniero alemán K. Linde solo en 1895. Ahora, al parecer, de acuerdo con el esquema ya elaborado, sería fácil transferir cualquier otro gas a un estado líquido. Pero no estaba allí. De hecho, la gran mayoría de los gases se enfrían durante la expansión. Sin embargo, el hidrógeno obstinado, el neón y el helio se comportan de manera "deshonesta": se calientan cuando se expanden. Se encontró una salida a finales del siglo XIX. Resultó que para obtener hidrógeno líquido y helio, solo necesita enfriarlos previamente a una temperatura relativamente baja. Olshevsky en Cracovia, Kamerling-Onnes en Holanda y Dewar en Inglaterra intentaron simultáneamente obtener hidrógeno líquido. Dewar ganó este concurso: el 10 de mayo de 1898 recibió 20 centímetros cúbicos de hidrógeno líquido. Unos meses más tarde, logró obtener hidrógeno sólido. Sólo 14 grados lo separaban del cero absoluto. Mente brillante, excelente arte del experimentador y excelente erudición ayudaron a James Dewar a convertirse en uno de los pioneros de la tecnología criogénica. Es de destacar que tanto el término en sí (del griego "kryos" - frío) como el famoso "recipiente Dewar" le pertenecen. Pero el helio se negó obstinadamente a someterse. No fue hasta el 9 de julio de 1908 que llegó la noticia de que la Dra. Heike Kamerling-Onnes (1853–1926) de la Universidad de Leiden había licuado helio. Contrarrestó la intuición y la habilidad de Dewar con un sistema, con las habilidades de un gran organizador. El famoso laboratorio Kamerling-Onnes en Leiden, del cual se convirtió en director a la edad de 29 años, se considera el primer modelo de un instituto de investigación del siglo XX. "Al final del experimento, Kamerling-Onnes intentó obtener helio sólido”, escribe R. Bakhtamov. "Fracasó. Falló más tarde, cuando alcanzó una temperatura de 1,38 y luego de 1,04 grados Kelvin. Razones para esto fenómeno extraño, sin embargo, se obligó a dar un paso atrás y pasó al siguiente punto del programa previsto - al estudio de las propiedades de los metales a la temperatura del helio. Onnes midió la resistencia eléctrica del oro, del platino y tomó mercurio. Y entonces empezaron las sorpresas. El 28 de abril de 1911 informó a la Real Academia de los Países Bajos que la resistencia del mercurio había llegado a un valor tan bajo que "los instrumentos no lo detectaban". El 27 de mayo se aclaró el mensaje: la resistencia del mercurio no cae paulatinamente, sino de manera brusca, abrupta, y decrece tanto que se puede hablar de "desaparición de la resistencia". En un artículo publicado en marzo de 1913, Onnes utilizó por primera vez el término "superconductividad". Después de otros 11 años, comenzará a entender algo en este extraño fenómeno. En 50 años, el fenómeno estará explicado, aunque no del todo. Varias veces, Onnes observó otro fenómeno bastante extraño: una movilidad inusualmente alta de helio. Pero ya era tan antinatural que Onnes ni siquiera trató de entender algo. Continuó su línea, acercándose más y más al cero absoluto. Usó, en esencia, un método: para reducir la presión de vapor del helio líquido, instaló bombas cada vez más potentes. Al final, Onnes alcanzó los 0,83 grados Kelvin. Parecía ser el límite. Sin embargo, en abril de 1926, dos meses después de la muerte de Kamerling-Onnes, el profesor estadounidense Latimer, habiendo desarrollado la idea del canadiense William Gioka, propuso un nuevo método de enfriamiento: magnético. En 1956, Francis Simon de Oxford obtuvo una temperatura de 0,00001 grados Kelvin, sólo una cienmilésima de grado por encima del cero absoluto. Sorprendentemente, solo treinta años después de la licuefacción del helio, se descubrió su propiedad más exótica, la superfluidez, aunque se llevaron a cabo miles de experimentos. Pero un día, un grupo de científicos canadienses todavía se atrevió a dar una descripción, negándose resueltamente a sacar conclusiones. "La conclusión correcta sobre un nuevo fenómeno", señalaron, "no es difícil de hacer, incluso para un estudiante de primer año. Pero solo los físicos maduros y experimentados se tomarían la responsabilidad de asumir con bastante seriedad que la conductividad térmica de un líquido de repente aumenta millones de veces.” A principios de 1938, Nature publicó dos artículos. Uno de ellos pertenecía a un científico soviético. PL Kapita, y el otro a Allen y Mizenar de la Universidad de Cambridge. Sus resultados y conclusiones coincidieron: el flujo de helio líquido está casi completamente desprovisto de viscosidad. Es Kapitsa quien posee el término "superfluidez", que se ha vuelto generalmente aceptado. Sorprendentemente, los átomos de helio y los electrones libres de un metal se comportan de la misma manera. Este descubrimiento permitió conectar ambos fenómenos: la superconductividad y la superfluidez de un flujo de electrones en un conductor. La superconductividad se descubrió a principios de siglo, pero no fue hasta 1957 cuando Bardeen, Cooper y Schriefer pudieron dar una explicación satisfactoria del fenómeno de la superconductividad al construir una teoría que lleva su nombre (la teoría BCS). "¿Qué sucede en un superconductor?”, se pregunta Regge en su libro. “La respuesta completa a esta pregunta es larga y complicada. Normalmente, dos electrones se repelen en el vacío, pero en un metal, las cargas positivas de los núcleos protegen al cargas negativas de los electrones, y la repulsión puede desaparecer casi por completo.En muchos casos, el apantallamiento resulta ser incompleto, y entonces no se observa la superconductividad. En algunos casos, la red se encoge alrededor de un electrón, creando así una nube de cargas positivas que envuelve ese electrón y atrae a otros electrones. El resultado es una ligera atracción entre los electrones. Como esta atracción es débil, solo hace que los electrones se muevan en pares; así, existe un vínculo similar al químico, pero miles de veces más débil. En consecuencia, un par de Cooper es similar a una molécula de "dos electrones", y la transición al estado de superconductividad puede considerarse como la transformación de un gas de electrones en un gas que consta de tales "moléculas". Un fenómeno similar ocurre en química: por ejemplo, si el oxígeno diatómico se calienta, se descompone en átomos individuales que pueden recombinarse cuando se enfrían. El gas de electrones que se mueve en el metal se condensa en un líquido de pares de Cooper, al que llamaremos "condensado". El radio de tal par es de aproximadamente 300 angstroms, que es mucho mayor que la distancia entre los átomos vecinos (varios angstroms). En un mar de parejas de Cooper, es difícil imaginar ondulaciones u olas más cortas que las propias parejas. Por lo tanto, las heterogeneidades de la red con dimensiones de no más de diez angstroms no representan obstáculos para el flujo de condensado y no se produce pérdida de energía. Esta es la causa principal de la superconductividad". Todavía es difícil imaginar todas las consecuencias de este descubrimiento. El efecto de la superconductividad ya se ha utilizado con éxito en los trenes Maglev japoneses de alta velocidad. “Se han creado sistemas magnéticos superconductores con características únicas y están funcionando", escribe R. Bakhtamov. "Lockheed, por ejemplo, ha construido un electroimán que pesa 85 kilogramos y produce un campo magnético de 15 oersteds. Los imanes superconductores más grandes con un campo de 30-40 mil oersteds y un tamaño de unos 4 metros ya están trabajando en varios laboratorios de aceleradores en Europa y América, se han creado imanes con un campo de hasta 170 mil oersteds. Se está trabajando para crear las máquinas eléctricas más grandes: turbogeneradores e hidrogeneradores con sistemas de excitación superconductores. Los superconductores abren posibilidades completamente nuevas en la creación de computadoras. La corriente en los sistemas superconductores es un dispositivo de almacenamiento ideal capaz de almacenar una enorme cantidad de datos y emitirlos a una velocidad fantástica... Ya se han obtenido aleaciones que conservan la superconductividad a 18-20 grados Kelvin. La creación de una sustancia que tuviera propiedades a una temperatura de al menos 100 grados Kelvin supondría una revolución en la ingeniería eléctrica. La ciencia moderna cree que la tarea es real y las consecuencias de su solución se definirán en una palabra: fantástico. Autor: Samin D.K.
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