Tanken har länge uppstått att genom att öka trycket och samtidigt sänka temperaturen är det möjligt att föra vanliga gaser, såväl som omättade ångor, till ett tillstånd av mättnad och sedan förvandla dem till vätska. På så sätt förvandlade den engelske vetenskapsmannen Faraday ett antal gaser till vätska: ammoniak, koldioxid, klor etc. Men gaser som syre, kväve, väte, kolmonoxid, kväveoxid och metan blev inte till vätska ens när de komprimerades. till 3000 atm och vid kylning till –110° C. Det var nödvändigt att ta reda på orsakerna till detta fenomen.
Den store ryske forskaren D.I. Mendeleev studerade också problemet med flytande gaser. Medan hans föregångare, i sina diskussioner om flytande av gaser, utgick från likheten mellan denna process och processen att omvandla omättad ånga till vätska, uppmärksammade Mendeleev villkoren för den omvända processen - övergången av vätska till ånga.
Efter att ha studerat dessa förhållanden kom Mendeleev till slutsatsen att det för varje ämne finns en temperatur över vilken ämnet är i ett gasformigt tillstånd. Mendeleev namngav denna temperatur absolut kokpunkt. Därefter blev det känt som kritisk temperatur.
Vad är denna temperatur? För att svara på denna fråga, låt oss göra följande experiment.
Låt oss placera ett förseglat rör i luftbadet, en del av vars volym är upptagen av vätska, resten av mättande ånga, och vi kommer att värma det. Vid uppvärmning ändras vätskans densitet och ångans densitet i röret.
Som ett exempel, låt oss bygga grafer över förändringar i densiteten av vatten och vattenånga kontra temperatur. För att göra detta kommer vi att plotta temperaturen längs abskissaxeln och tätheterna för vätska och ånga längs ordinataaxeln.
Eftersom en vätska expanderar vid upphettning sjunker CD-kurvan, som visar vätskans densitet som en funktion av temperaturen, vilket indikerar att vätskans densitet minskar när temperaturen ökar.
Och eftersom vätskan avdunstar när temperaturen stiger, ökar ångdensiteten. Denna ökning i ångdensitet visas på grafen med den krökta linjen AB.
AB-kurvan ligger under CD-kurvan, eftersom ångdensiteten i närvaro av vätska vid vilken temperatur som helst är mindre än vätskedensiteten.
När temperaturen ökar minskar vätskans densitet och ångans densitet ökar. CD-kurvan kommer att gå ner och AB-kurvan kommer att gå upp. Båda kurvorna går samman vid någon punkt K, vilket kallas kritisk punkt, och temperaturen vid vilken kurvorna smälter samman kallas kritisk temperatur. Den kritiska punkten K motsvarar ett speciellt tillstånd av materia, kallat kritiskt, där varje skillnad mellan vätskan och dess mättande ånga försvinner.
Trycket och den specifika volymen av ett ämne (volym per massenhet) i ett kritiskt tillstånd kallas också kritiskt.
Det första systematiska arbetet med att bestämma de kritiska temperaturerna för olika ämnen utfördes av ryska forskare M. P. Avenarius, A. I. Nadezhdin och andra.
Avenarius studerade eterns kritiska tillstånd med hjälp av en speciell anordning. I ett rör placerat i ett luftbad är etern dels i vätska, dels i ångtillstånd. Vid rumstemperatur är båda dessa tillstånd skarpt avgränsade av en konkav menisk av vätska (etern väter glaset). När röret värms upp rätas det konkava gränssnittet gradvis ut och försvinner omedelbart vid eterns kritiska temperatur, lika med 194 ° C. Över denna temperatur är etern i röret i ett gasformigt tillstånd. Gradvis kylning av röret efter detta kan man observera eterns kritiska tillstånd (innehållet i röret kommer att mörkna), och bakom det ser det ut som en gräns som separerar vätska och ånga.
Följande tabell visar kritiska temperaturer och kritiska tryck för vissa kemikalier.
Likheten mellan egenskaperna hos omättade ångor och gaser fick M. Faraday att spekulera: är gaser inte omättade ångor av motsvarande vätskor? Om antagandet är korrekt kan du försöka göra dem mättade och kondenserade. I själva verket lyckades kompression göra många gaser mättade, förutom sex, som M. Faraday kallade "permanent": kväve, väte, luft, helium, syre, kolmonoxid CO.
För att förstå vad som händer här, låt oss studera den isotermiska processen för kompression (expansion) av ånga mer i detalj. Vi har sett att isotermen för en verklig gas skiljer sig från isotermen för en idealgas genom närvaron av en horisontell sektion som motsvarar området för existensen av ett tvåfassystem: mättad ånga och vätska.
Om experiment utförs vid högre temperaturer ( T 1 < T 2 < T 3 < T k< T 4), då kan man upptäcka ett mönster som är gemensamt för alla substanser (Fig. 1).
För det första, ju högre temperatur, desto mindre volym vid vilken gaskondensationen börjar: V 1 > V' 1 > V'' 1 om T 1 < T 2 < T 3 .
För det andra, ju högre temperatur, desto större volym upptas av vätskan efter att all ånga har kondenserats:
V 2 < V' 2 < V'' 2 .Följaktligen minskar längden på den raka sektionen av isotermen med ökande temperatur.
Detta är lätt att förklara: med tillväxt Τ trycket av mättad ånga ökar snabbt, och för att trycket av omättad ånga ska vara lika med trycket av mättad ånga, är en minskning av volymen nödvändig. Orsak till volymökningen V 2 - i vätskans termiska expansion när den värms upp. Sedan volymen V 1 minskar, sedan ökar ångdensiteten med ökande temperatur; volymökning V 2 indikerar en minskning av vätskedensiteten. Detta innebär att skillnaden mellan vätskan och dess mättade ånga utjämnas vid sådan uppvärmning och vid en tillräckligt hög temperatur bör försvinna helt.
D. Mendeleev fastställde att för varje vätska måste det finnas en temperatur som experimentellt först fastställdes för många ämnen av T. Andrews och som kallas den kritiska temperaturen.
Kritisk temperatur T kr är den temperatur vid vilken vätskans densitet och densiteten för dess mättade ånga blir samma (fig. 2).
På isotermer kl T = T kr horisontell sektion förvandlas till en böjningspunkt TILL.
Det mättade ångtrycket för ett ämne vid dess kritiska temperatur kallas kritiskt tryck sid cr. Det är det högsta möjliga mättade ångtrycket för ett ämne.
Den volym som ett ämne upptar när sid cr och t kr, ringde kritisk volym m V cr. Detta är den största volymen som den tillgängliga massan av ett ämne i flytande tillstånd kan uppta.
Vid den kritiska temperaturen försvinner skillnaden mellan gas och vätska, och därför blir det specifika förångningsvärmet noll.
En uppsättning punkter som motsvarar kanterna på den horisontella sektionen av isotermer (se fig. 1) framhäver i planet p-V region där ett tvåfassystem existerar och separerar det från områden med enfasiga materiatillstånd. Gränskurvan för området med tvåfas tillstånd på sidan av stora volymvärden beskriver tillståndet för mättad ånga och representerar samtidigt kondensationskurvan(ångkondensering börjar under isotermisk kompression). Gränskurvan på sidan av mindre volymer är den kurva på vilken kondensationen slutar under komprimering av mättad ånga och avdunstning av vätska börjar under isotermisk expansion. De ringer henne avdunstningskurva.
Förekomsten av en kritisk temperatur för ett ämne förklarar varför vissa ämnen vid vanliga temperaturer kan vara både flytande och gasformiga, medan andra förblir gaser.
Över den kritiska temperaturen bildas inte vätska ens vid mycket höga tryck.
Anledningen är att här visar sig intensiteten av den termiska rörelsen hos molekyler vara så stor att även med deras relativt täta packning orsakad av högt tryck kan molekylära krafter inte säkerställa skapandet av ens kort räckvidd, mycket mindre lång räckvidd.
Det är alltså tydligt att det inte finns någon grundläggande skillnad mellan gas och ånga. Typiskt är en gas ett ämne i gasformigt tillstånd när dess temperatur är över en kritisk temperatur. Ånga kallas också ett ämne i gasform, men när dess temperatur är under kritisk. Ånga kan endast omvandlas till vätska genom att öka trycket, men gas kan inte.
För närvarande är alla gaser flytande vid mycket låga temperaturer. Den sista som överfördes var helium 1908 ( t cr = -269°C).
Litteratur
Aksenovich L. A. Fysik i gymnasieskolan: Teori. Uppgifter. Prov: Lärobok. förmåner för institutioner som tillhandahåller allmän utbildning. miljö, utbildning / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - P. 176-178.
Om en viss mängd vätska placeras i ett slutet kärl, kommer en del av vätskan att förångas och mättad ånga kommer att finnas ovanför vätskan. Trycket, och därför densiteten av denna ånga, beror på temperaturen. Ångdensiteten är vanligtvis mycket mindre än vätskans densitet vid samma temperatur. Ökar man temperaturen kommer vätskans densitet att minska (§ 198), medan den mättade ångans tryck och densitet ökar. I tabell Figur 22 visar densitetsvärdena för vatten och mättad vattenånga för olika temperaturer (och därför för motsvarande tryck). I fig. 497 samma data presenteras i grafform. Den övre delen av grafen visar förändringen i en vätskas densitet beroende på dess temperatur. När temperaturen ökar minskar vätskans densitet. Den nedre delen av grafen visar beroendet av mättad ångdensitet på temperaturen. Ångdensiteten ökar. Vid den temperatur som motsvarar punkt , sammanfaller tätheterna för vätskan och den mättade ångan.
Ris. 497. Beroende av vattnets densitet och dess mättade ånga på temperaturen
Tabell 22. Vattenegenskaper och dess mättade ånga vid olika temperaturer
|
Temperatur, |
Mättat ångtryck, |
Densitet av vatten, |
Mättad ångdensitet, |
Specifik förångningsvärme, |
Tabellen visar att ju högre temperatur, desto mindre är skillnaden mellan vätskans densitet och densiteten för dess mättade ånga. Vid en viss temperatur (vid vatten) sammanfaller dessa tätheter. Den temperatur vid vilken vätskans densiteter och dess mättade ånga sammanfaller kallas ämnets kritiska temperatur. I fig. 497 motsvarar pricken. Trycket som motsvarar punkten kallas kritiskt tryck. De kritiska temperaturerna för olika ämnen varierar mycket. Några av dem finns i tabellen. 23.
Tabell 23. Kritisk temperatur och kritiskt tryck för vissa ämnen
|
Ämne |
Kritisk temperatur |
Kritiskt tryck, atm |
Ämne |
Kritisk temperatur |
Kritiskt tryck, atm |
|
Koldioxid |
|||||
|
Syre |
|||||
|
Etanol |
|||||
Vad indikerar förekomsten av en kritisk temperatur? Vad händer vid ännu högre temperaturer?
Erfarenheten visar att vid högre temperaturer än kritiskt kan ett ämne endast vara i gasformigt tillstånd. Om vi minskar volymen som upptas av ånga vid en temperatur över den kritiska temperaturen, ökar ångans tryck, men den blir inte mättad och fortsätter att förbli homogen: oavsett hur högt trycket är, kommer vi inte att hitta två tillstånd separerade genom en skarp gräns, vilket alltid observeras vid lägre temperaturer på grund av ångkondensation. Så om temperaturen på ett ämne är över den kritiska temperaturen, är jämvikt mellan ämnet i form av en vätska och ångan i kontakt med det omöjligt vid något tryck.
Det kritiska tillståndet för ett ämne kan observeras med hjälp av enheten som visas i fig. 498. Den består av en järnlåda med fönster, som kan värmas högre ("luftbad") och en glasampull med eter placerad inuti badet. När badet värms upp stiger menisken i ampullen, blir plattare och försvinner slutligen, vilket indikerar en övergång genom ett kritiskt tillstånd. När badet svalnar blir ampullen plötsligt grumlig på grund av att många små eterdroppar bildas, varefter etern samlas i botten av ampullen.
Ris. 498. Anordning för observation av eterns kritiska tillstånd
Som framgår av tabellen. 22, när den kritiska punkten närmar sig, blir det specifika förångningsvärmet mindre och mindre. Detta förklaras av det faktum att när temperaturen ökar, minskar skillnaden i de inre energierna hos ett ämne i vätske- och ångtillståndet. Faktum är att molekylernas vidhäftningskrafter beror på avstånden mellan molekylerna. Om tätheterna av vätska och ånga skiljer sig lite, så skiljer sig de genomsnittliga avstånden mellan molekylerna lite. Följaktligen kommer värdena för den potentiella energin för interaktion mellan molekyler att skilja sig lite. Den andra termen av förångningsvärmen - arbete mot yttre tryck - minskar också när den kritiska temperaturen närmar sig. Detta följer av det faktum att ju mindre skillnaden är i densiteter av ånga och vätska, desto mindre expansion sker under avdunstning, och därför mindre arbete görs under avdunstning.
Förekomsten av en kritisk temperatur påpekades första gången 1860. Dmitry Ivanovich Mendeleev (1834-1907), rysk kemist som upptäckte den grundläggande lagen för modern kemi - den periodiska lagen för kemiska grundämnen. Stora prestationer i studiet av kritisk temperatur tillhör den engelske kemisten Thomas Andrews, som utförde en detaljerad studie av koldioxidens beteende under en isotermisk förändring av volymen den upptar. Andrews visade att vid lägre temperaturer i ett slutet kärl är samexistensen av koldioxid i flytande och gasformiga tillstånd möjlig; vid högre temperaturer är sådan samexistens omöjlig och hela kärlet är endast fyllt med gas, oavsett hur mycket dess volym minskas.
Efter upptäckten av den kritiska temperaturen stod det klart varför gaser som syre eller väte inte kunde omvandlas till vätska under lång tid. Deras kritiska temperatur är mycket låg (tabell 23). För att förvandla dessa gaser till vätska måste de kylas under en kritisk temperatur. Utan detta är alla försök att smälta dem dömda att misslyckas.
Det finns ett naturfenomen som forskare kallar supraledning, och ingenjörer kallar det "framtiden för energi, medicin, höghastighetstransporter och militära angelägenheter." Trots att de första supraledande materialen upptäcktes för mer än hundra år sedan, lärde de sig att använda dem relativt nyligen och endast i ett fåtal ganska specifika enheter som Large Hadron Collider eller i magnetisk resonanstomografi. Varför? För vi förstår fortfarande inte helt hur detta fenomen fungerar. I det nya materialet redaktionen N+1 Jag försökte prata så kort och enkelt som möjligt om flera vetenskapliga versioner av ursprunget till supraledning, efter att ha förstått vilka du kommer att förstå vad fysiker runt om i världen har förbryllat över i ett sekel nu.
Så vad är supraledning? Detta är egenskapen hos vissa ämnen att ha strikt noll motstånd under en viss temperatur - det kallas kritiskt. Det andra obligatoriska kriteriet enligt vilket en viss förening klassificeras som en supraledare är Meissner-effekten - materialens förmåga att trycka ut ett magnetfält ur sin volym när de kyls, återigen, under en kritisk temperatur.
Levitation av en supraledare över en magnet är en manifestation av Meissner-effekten.
Wikimedia Commons
Fenomenet supraledning är både unikt och helt "vanligt". Den är unik på grund av sitt breda utbud av befintliga och möjliga applikationer: överföring av elektrisk ström utan att slösa energi på värmeledningar, tillverkning av superstarka magneter, olika detektorer, SQUID-magnetometrar, magnetiska levitationståg och till och med hoverboards.
Och "vanlig", eftersom supraledning, som det visar sig, manifesterar sig i ett stort antal föreningar - här och, metalloxider och organiska ledare, metallfullerider, järnhaltiga och kalkogenider och många andra. Därför överraskar rapporter om upptäckten av en annan ny supraledare inte längre någon, särskilt forskare.
Men fortfarande, mer än hundra år efter upptäckten av supraledning, stöter alla försök på dess praktiska tillämpning på huvudproblemet - den låga kritiska temperaturen. På grund av detta, för att arbeta med supraledande produkter är det nödvändigt att bygga skrymmande kylsystem med flytande kväve eller till och med dyrt flytande helium. Men om ett material kunde hittas med en kritisk temperatur i storleksordningen rumstemperatur, skulle svävande tåg och supraledande elektronik kunna förvandlas från futuristers drömmar till vardaglig verklighet.
Fysiker som studerar nya supraledare siktar vanligtvis inte på att öka sin kritiska temperatur. De talar om mekanismer - orsakerna som leder till att en viss förening uppvisar supraledande egenskaper. Forskare tror att det är förståelsen av dessa mekanismer som kommer att göra det möjligt att förutsäga föreningar inte bara med en högre kritisk temperatur, utan också med andra lika viktiga parametrar, såsom det kritiska magnetfältet, strömtätheten och andra.
Den huvudsakliga erkända mekanismen för uppkomsten av supraledning anses vara elektron-fonon-interaktion, när attraktion sker mellan två elektroner under påverkan av vibrationer i kristallgittret och så kallade Cooper-par bildas. Det är så supraledning visar sig enligt Nobelteorin om Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Andra mekanismer har också föreslagits, till exempel magnon eller exciton. I den första sker elektronparning på grund av magnoner, inte fononer, och i den andra är excitoner i Bose-kondensattillståndet ansvariga för supraledning.
Men det pågår fortfarande en debatt bland forskare om huruvida det finns andra mekanismer förutom fononen - faktum är att experimentella data i vissa fall kan tolkas på olika sätt. Därför är fysiker som studerar supraledning uppdelade i två motsatta och till synes oförsonliga läger - anhängare av den klassiska BCS, som på något sätt försöker modifiera teorin för att passa nya data, och de som anser att de nya mekanismerna är en återspegling av verkliga processer som inträffar i supraledare.
Om dessa eller andra mekanismer är verkliga kommer att visas av nya experimentella data. Vi har studerat modern vetenskaplig litteratur om denna fråga och försökt prata så enkelt som möjligt om hur en mängd olika och till synes orelaterade processer kan leda till supraledning. Vi uppmärksammade också olika effekter som kan påverka den kritiska temperaturen hos en viss supraledare.
Berättelse ett: fononer
Supraledare: enkla grundämnen, några av deras legeringar och andra föreningar.
Mekanism: elektron-fonon-interaktion (klassisk BCS-teori).
Artiklar: Teori om supraledning // Fysisk. Varv. 108, 1175 (1957).
Leon N. Cooper, bundna elektronpar i en degenererad fermigas // Phys. Varv. 104, 1189 (1956).
J. Bardeen, L. N. Cooper och J. R. Schrieffer, Microscopic Theory of Superconductivity // Phys. Varv. 106, 162 (1957).
Rumstemperatur, normal ledare. Atomer i kristallgittret (mer exakt, joner med positiv laddning) vibrerar i olika riktningar, med olika frekvenser. Dessa "oscillationsvågor" beskrivs av fysiker som kvasipartiklar-fononer , och varje fonon har sin egen frekvens och energi. Ledningselektroner rör sig nästan kaotiskt mellan dessa vibrerande joner, ändrar riktning, interagerar med jonerna och med varandra. Som ett resultat av dessa interaktioner ger elektroner upp en del av sin energi och sprider den på omgivande atomer - detta är anledningen till uppkomsten av motstånd som inte är noll i ledare.
Under rumstemperatur, över kritisk, en vanlig ledare. Atomvibrationer orsakade av temperatur dämpas, men inte helt. Elektroner fortsätter att skingra energi, men det är mycket lättare för dem att röra sig - atomerna "flimmer" inte lika mycket i deras väg. Motståndet minskar gradvis.
Kritisk temperatur, supraledande övergång. Det finns ännu färre fononer - atomerna vibrerar knappt. Ett nytt "bekvämt" tillstånd för elektroner uppstår - att förenas i par med totalt noll momentum och spinn. Enandet sker på grund av interaktion med jonernas vibrationer i kristallgittret, det vill säga med fononer. Men dessa fononer är inte de som nämns ovan - temperaturfluktuationer, utan " virtuell- orsakas av elektroners rörelse. Som ett resultat av denna interaktion, elektronpar, som kallas Coopers, blir det olönsamt att sprida energi på gitteratomer. Det finns fortfarande "vanliga elektroner" kvar i materialet, men strömmen flyter längs vägen med minsta motstånd - den rusar plötsligt till noll.
Under den kritiska temperaturen, supraledare. Det blir fler och fler Cooper-par. Eftersom paret har ett heltalsspinn (-1/2+1/2 = 0 eller, mindre vanligt, 1/2+1/2 = 1), är en sådan "total partikel" en boson. Men Pauli-förbudet gäller inte bosoner – de kan samtidigt vara i samma kvanttillstånd eller på samma energinivå. Fler och fler par "faller" till denna energinivå - a Bose kondensat. I ett Bose-kondensat beter sig partiklar sammanhängande(överens om), och deras kurs icke-avlösande(ingen energiförlust).
Strängt taget handlar Bose-Einstein-teorin om idealgaser, och inte med så komplexa interagerande system som elektroner i supraledare. Men kärnan i processerna - möjligheten för partiklar att "montera" på en energinivå - är densamma. Därför tillåter vi oss själva att göra denna analogi.
Hur bildas Cooper-par? Elektroner, som flyger mellan positivt laddade atomer, gör att de attraheras till sig själva, som till ett område med negativ laddning. Men atomer är "klumpiga" de är mycket tyngre och rör sig långsammare. Som ett resultat skapas ett område med positiv laddning efter den passerande elektronen. En annan elektron attraheras av den. Och så, i par, rör de sig längs kristallgittret mellan atomer, utan att avleda energi vid kollisioner. Fysiker kallar denna process interaktionen mellan elektroner och virtuella fononer i kristallgittret.
Varför försvinner inte Cooper-par energi? För att förklara varför elektroner inte förlorar sin energi måste vi vända oss till konceptet elektroniskt spektrum- energiberoende av vågvektorn. En supraledare, till skillnad från en vanlig metall, har en speciell glipa- region av förbjudna stater. Det vill säga, en elektron kan inte uppta ett tillstånd med energi från detta förbjudna område. Mellanrummet "öppnar" precis vid den kritiska temperaturen och fortsätter att "växa" när det svalnar. I supraledare, i mitten av detta gap finns det en nivå med tillåten energi, där Cooper-par finns. Men över och under denna nivå finns det ett "bandgap", vilket betyder att elektronpar verkar vara låsta på denna nivå i mitten av gapet. De kan förlora eller absorbera energi endast i delar som är större än bandgapet - vid låga rörelsehastigheter för Cooper-paret är detta en nästan omöjlig process. En icke-dissipativ (utan förlust av energi) rörelse av ledningselektroner genom kristallgittret inträffar - detta är supraledning. Låt oss tillägga att ett sådant gap inte är detsamma som bandgapet i halvledare och dielektrika, på grund av vilket konduktiviteten försvinner helt eller minskar med temperaturen. Dielektrikum eller halvledare har inte någon nivå med Cooper-par i bandgapet, och själva konduktiviteten kan bara uppstå (för att inte tala om supraledning) om elektronen kan få energin att "hoppa" över barriären.
I detta skede är det värt att göra ett litet förtydligande. Nästan ingen forskare tvivlar på att supraledande ström uppstår på grund av bildandet av Cooper-par eller andra Bose-partiklar och deras kondensation vid samma energinivå. Tvister uppstår om Hur exakt bildas dessa Bose-partiklar?. BCS-teorin föreslår elektron-fonon-interaktion som en sådan mekanism. Men varför inte "använda" andra kvasipartiklar för detta? Vår nästa berättelse handlar om detta.
Berättelse två: magnoner
Supraledare: ZrZn 2 och andra.
Mekanism: bildning av triplett Cooper-par på grund av fenomenet ferromagnetism av ambulerande elektroner.
Artikel: C. Pfleiderer et. al Samexistens av supraledning och ferromagnetism i d-bandsmetallen ZrZn 2 / Nature 412, 58-61 (2001).
D. Fay och J. Appel Samexistens av supraledning i p-tillstånd och ambulerande ferromagnetism / Phys. Varv. B 22, 3173 (1980).
Rumstemperatur, paramagnetisk metall.
En elektron i ett fast ämne är föremål för krafterna från Coulomb-repulsion av andra elektroner, attraktion av joner i kristallgittret, såväl som krafter utbytesinteraktion mellan elektroner. De senare har en ren kvantnatur och beror på närvaron av elektroner tillbaka- inneboende vinkelmomentum, tar värden ±½. Det är utbytesinteraktioner som oftast orsakar magnetisk ordning i material - en klass av fenomen som kallas ferro-, ferri- och antiferromagnetism. I många fall uppstår dessa fenomen när ämnet inte är en ledare, det vill säga elektronerna i det lokaliserad, eller "fäst" till en specifik jon. Den här historien handlar om ferromagnetism. kollektiviseras elektroner, det vill säga "mobila" - ansvariga för konduktiviteten.
Ferromagnetisk beställningstemperatur, ferromagnetisk-metall. Utbytesinteraktionen av elektroner i en ledare kan i vissa fall leda till att elektronsnurrarna, som kaotiskt "flyger" fram och tillbaka i en vanlig ledare, plötsligt börjar "titta" åt samma håll. I princip kan en liknande situation observeras i en springande skara av rädda människor. En individ i en folkmassa kan springa i en helt kaotisk riktning, kollidera med andra människor, väggar och staket, vilket orsakar en effekt som liknar motstånd i vanliga metaller. Men samtidigt, troligen, kommer de flesta människor att springa med benen, inte med armarna, så deras "ryggar" - riktningen från benen till huvudet - kommer att sammanfalla. Således, om temperaturen (medelhastigheten för människor i en folkmassa) är tillräckligt låg, kommer de flesta elektronsnurrarna att vara i samma riktning och materialet kommer att vara en ferromagnetisk metall.
Kritisk temperatur för den supraledande övergången, ferromagnet-supraledare. Trots det faktum att spinn av enskilda elektroner är co-directional, är de inte styvt fixerade i en viss riktning. De kan svänga, vända och bryta den strikta ordningen. Men om man avviker från den allmänna riktningen, inducerar ett visst spinn de närliggande elektronerna att "störa friden", och de försöker i sin tur återställa den till sitt ursprungliga tillstånd. Detta sker på grund av det faktum att i en ferromagnet elektronerna energiskt gynnsam har codirectional spins, eftersom de är sammankopplade av energin för utbytesinteraktion. På grund av denna energivinst, vid låga temperaturer, börjar något liknande attraktion uppstå mellan elektroner - de kombineras till par. Men, till skillnad från en "fonon"-supraledare, är det totala snurret för detta par inte noll, utan ett, eftersom snurren är samstyrda. Detta fenomen kallas trilling supraledning. Och "bråkmakare" som kan vända sina snurr och sprida oordning till närliggande elektroner kallas Magnons. Det är magnoner som hjälper elektroner att kombineras till par under den supraledande övergången.
Berättelse tre: excitoner
Supraledare: konstgjorda material som består av flera ordnade lager av dielektrikum och halvledare, varje lager nästan en atom tjockt.
Mekanism: Bose-Einstein-kondensering av indirekta excitoner.
Artiklar : J. P. Eisenstein, A. H. MacDonald Bose-Einstein kondensation av excitoner i tvåskiktselektronsystem / Nature 432, 691-694 (9 december 2004).
M. M. Fogler, L. V. Butov & K. S. Novoselov Högtemperatursuperfluiditet med indirekta excitoner i van der Waals heterostrukturer / Nature Communications 5, 4555 (2014).
Rumstemperatur, ingen supraledning. Källmaterialet är en konstgjord "hög" av monoatomiska lager av dielektrikum (material som inte leder ström) och halvledare (som leder ström, men värre än riktiga ledare). För att en ström ska uppstå i en halvledare måste elektroner få tillräckligt med energi för att "hoppa" igenom förbjuden zon. När en elektron "hoppar" och blir ledande är det som blir kvar på dess plats hål, eller, enkelt uttryckt, frånvaron av en elektron. Elektron + hål = exciton. Det är sant att för att en exciton ska bildas från en elektron och ett hål måste de vara anslutna till varandra, det vill säga ha något mindre energi än den totala energin hos enskilda partiklar - bara i detta fall rör de sig genom materialet i en samordnat sätt. Annars kan till exempel en "lätt" elektron helt enkelt "flyga iväg", och ett "klumpigt" hål kommer inte att kunna hålla jämna steg med den.
Temperaturen är över kritisk, under rumstemperatur, det finns ingen supraledning. Om bara vanliga excitoner (som utbreder sig inuti halvledarskiktet) kunde existera i ett sådant flerskiktsmaterial, skulle det inte finnas något hopp om någon supraledning. Men lagren av dielektrikum och halvledare är placerade i den på ett icke-slumpmässigt sätt. De representerar en "burgare" där kotletten är en icke-ledande dielektrikum, och de två lagren av bröd är halvledare med fria elektroner, hål och "ofria" excitoner. En sådan "burgare" kan bildas indirekta excitoner. För att göra detta är det nödvändigt att en elektron från den nedre biten av "bröd" flyger genom "kotletten", fastnar i den övre delen, medan den förblir ansluten till sitt hål från den nedre biten av "bröd". Således är det möjligt att skapa förhållanden under vilka övervägande elektroner samlas i ett lager av halvledarbrödet och hål i det andra lagret. Då kommer lagret av dielektrisk kotlett att förhindra att elektronen återgår till sin ursprungliga plats, vilket skapar en energibarriär. Det vill säga, för att elektronen ska hoppa tillbaka måste den förbruka ytterligare energi.
Den kritiska temperaturen för Bose-Einstein kondensation, uppkomsten av supraledning. En exciton har noll spin, vilket betyder att den är en boson. Excitoner kan alltså bilda ett Bose-kondensat, precis som Cooper-par. Å andra sidan är laddningen av Cooper-paret lika med två laddningar av elektronen, men excitonens laddning är noll. Rörelsen av nollladdningar kan inte skapa en ström, så var kommer konduktiviteten ifrån, och även med prefixet super-? Samma indirekta excitoner kommer att hjälpa till med detta. Med deras hjälp kommer excitonladdningen att delas i två delar, och sedan kommer negativa elektroner att tillhöra ett lager av halvledaren och positiva hål till det andra. Nu kan du "löda" ledande kontakter, till exempel till det översta lagret av halvledarbröd och lägga spänning på dem - elektronerna i det översta lagret kommer att börja röra sig, och med dem kommer hålen från det nedre lagret att börja röra sig, skapar strömmar i motsatta riktningar. Om du sänker temperaturen så mycket att excitonerna kondenserar på samma energinivå kommer de att röra sig genom materialet utan att förlora energi. Supraledning - hål eller elektronisk - kommer att observeras i varje lager av halvledaren.
Under den kritiska temperaturen, supraledare. Denna metod för att skapa artificiell supraledning har sina nackdelar. Till exempel kommer elektroner fortfarande att återvända till hål på grund av fenomenet tunneldrivning. I det här fallet kommer excitoner att "försvinna" (fysiker kallar denna process rekombination) och den totala konduktiviteten minskar. Dessutom kräver själva skapandet av sådana excitoner energi, eftersom elektronen måste "kastas" genom barriären som skapas av dielektrikumet. När temperaturen sjunker blir det svårare att skapa nya excitoner, så det är svårt att säga om en sådan artificiell "burgare" av halvledare och dielektrikum någonsin kommer att kunna ersätta en riktig supraledare.
Det är värt att notera att förutom den artificiella "excitonsupraledaren" som diskuterades i föregående berättelse, finns det också en sådan term som "excitonsupraledningsmekanism", och dessa fenomen är inte exakt samma sak. I exemplet ovan finns det i princip inga Cooper-par. Excitonmekanismen liknar fononmekanismen från BCS-teorin, endast den anslutande länken mellan de två elektronerna i Cooper-paret i den är inte fononer, utan excitoner i Bose-kondensattillståndet. I båda mekanismerna leder en sådan koppling till det faktum att negativt laddade elektroner verkar uppleva attraktion till varandra (även om de enligt Coulombs lag borde stöta bort). Faktum är att båda elektronerna attraheras till ett område med tillfällig positiv laddning skapad av fononer eller excitoner. Dessutom, eftersom excitoner är lättare att "skapa", tror man att en sådan mekanism kan förklara de höga värdena för den kritiska temperaturen för vissa material.
Berättelse fyra: fluktuationer
Supraledare:
järnselenid FeSe och andra.
Mekanism: spinnfluktuationer i föreningar som innehåller joner med ett magnetiskt moment som inte är noll, kombinerat med en nematisk strukturell fasövergång.
Artikel : Qisi Wang et. al Starkt samspel mellan fluktuationer i stripespin, nematicitet och supraledning i FeSe / Nature Materials, 15, 159–163 (2015).
Fa Wang, Steven A. Kivelson & Dung-Hai Lee Nematicitet och kvantparamagnetism i FeSe / Nature Physics 11, 959–963 (2015).
Rumstemperatur, paramagnetisk. Denna mekanism är endast möjlig om materialet innehåller joner med ett magnetiskt moment som inte är noll - detta betyder att den totala snurra(kvantkarakteristik - inneboende vinkelmomentum) för lokaliserade elektroner i en jon är inte lika med noll. Sådana material tillhör paramagneter. Magnetiska moment kan interagera med varandra och bli ordnade, vilket är anledningen till att många material uppvisar ferro-, antiferromagnetiska egenskaper och andra, mer exotiska alternativ. Vid rumstemperatur stör termiska vibrationer av gitterjonerna ordningen av de magnetiska momenten, de vibrerar nästan kaotiskt - ämnet förblir paramagnetiskt.
Under rumstemperatur, paramagnetisk. När temperaturen sjunker försvagas svängningarna och magnetiska interaktioner börjar tvärtom intensifieras. De magnetiska momenten oscillerar nu mer konsekvent och försöker hitta en "gynnsam" position, men på grund av kristallgittrets symmetri (tetragonal, det vill säga en rektangulär parallellepiped med a = b ≠ c), finns det inget enskilt tillstånd med minimum energi. För att sänka energin börjar de magnetiska momenten som finns i det kvadratiska gittret rada upp sig i en kedja- deras övervägande rörelse sker runt en viss riktning.
Nematisk fasövergång, paramagnetisk. Snurra fluktuationer(vibrationer) ger nu ett betydande bidrag jämfört med gitterjonvibrationer. "Försök" av snurr att rada upp sig i en kedja börjar så småningom påverka kristallgittret, vilket minskar dess symmetri (nu a ≠ b ≠ c - ortorombisk). En fasförändring inträffar nematiskövergång (detta är namnet på en övergång med en liknande minskning av kristallgittrets symmetri). Detta i sin tur förstärker ytterligare anisotropin hos spinnsvängningar, som så småningom radas upp i kedjor. Men helt magnetisk ordning sker inte, eftersom kedjorna inte kan "fixa" i någon specifik position, eftersom ett sådant tillstånd inte är stabilt.
Nematisk fas, paramagnetisk. Spinnfluktuationer är magnonernas "yngre bröder" (magnoner är snurrfluktuationer i ordnade magneter). Som regel leder "snurrförsök" att rada upp sig i en viss riktning i slutändan till en magnetisk fasövergång och ämnet blir till exempel en antiferromagnet. Men i vissa material hämmas detta av vibrationer från kristallgitterjonerna. Det är dessa material som är kandidater för supraledare.
Kritisk temperatur för supraledande övergång. När den supraledande övergångstemperaturen närmar sig blir energin för spinnfluktuationer jämförbar med gittervibrationer. Magnetisk ordning hinner aldrig fastställas, men det konsekventa beteendet hos elektroner på grund av spinnfluktuationer begränsar "listan" över möjliga tillstånd för elektroner. Detta leder till uppkomsten av ett gap i det elektroniska spektrumet, och den magnetiska övergången "ersätts" av en supraledande. Således leder spinnfluktuationer, tillsammans med vibrationer i kristallgittret och förändringar i dess symmetri, i slutändan till en annan väg för bildandet av Cooper-par.
/ Phys. Varv. Lett. 101, 026406 (2008).
S.V. Borisenko et. al Direkt observation av spin-omloppskoppling i järnbaserade supraledare / Nature Physics, 12, 311–317 (2015).
Från rumstemperatur till kritisk. Spin-omloppsinteraktion påverkar det elektroniska spektrumet och stör därigenom de ledande egenskaperna. Detta fenomen - interaktionen mellan en rörlig elektron och dess eget spinn - manifesterar sig starkast vid höga hastigheter av elektronrörelse (i kvantfysiken använder man begreppet momentum), det vill säga det är en relativistisk effekt. Det påverkar de elektroniska egenskaperna hos alla föreningar, men dess bidrag är större ju högre atomnumret är i det periodiska systemet, eftersom "hastigheterna" för elektronrörelser vid högre energinivåer är mycket högre. I LiFeAs och andra supraledande järnarsenider är bidraget från spin-omloppsinteraktionen tillräckligt för att signifikant påverka den elektroniska strukturen. Föreställ dig att du håller en plasticineboll i händerna. Effekten av spin-omloppsinteraktionen på den elektroniska strukturen kan då föreställas som om du skapar bucklor och utbuktningar på denna boll med fingrarna, och därmed förvränger dess ursprungliga form.
Som en slutsats kan vi säga att våra berättelser bara listar några av de möjliga processer som i slutändan leder till supraledning. Alla av dem, inklusive den klassiska elektron-fononmekanismen, kan kombineras i ett material, eller så kommer en av dem att vara den viktigaste för ett visst ämne. Kanske är alla dessa många och komplexa mekanismer bara en del av någon global fysisk lag som forskare ännu inte har upptäckt. Men det kan också visa sig att naturen är mycket mer komplex och mångfacetterad än vi kan föreställa oss, och det finns helt enkelt ingen enda lag för supraledning.
Ekaterina Kozlyakova
Kroppstemperatur- en indikator på det termiska tillståndet hos människokroppen eller annan levande organism, vilket återspeglar förhållandet mellan värmeproduktionen av olika organ och vävnader och värmeväxlingen mellan dem och den yttre miljön.
Kroppstemperaturen beror på:
- ålder;
- tidpunkt på dygnet;
— Miljöpåverkan på kroppen.
- hälsostatus;
— graviditet;
— Kroppens egenskaper.
— Andra faktorer som ännu inte är klarlagda.
Typer av kroppstemperatur
Beroende på termometeravläsningarna särskiljs följande typer av kroppstemperatur:
— mindre än 35°C;
— 35°С — 37°С;
— Låg kroppstemperatur: 37°C - 38°C;
— Febril kroppstemperatur: 38°C - 39°C;
— Pyretisk kroppstemperatur: 39°C - 41°C;
— Hyperpyretisk kroppstemperatur:över 41°C.
Enligt en annan klassificering särskiljs följande typer av kroppstemperatur (kroppstillstånd):
— Hypotermi. Kroppstemperaturen sjunker under 35°C;
— Normal temperatur. Kroppstemperaturen varierar från 35°C till 37°C (beroende på kroppens tillstånd, ålder, kön, mätmoment och andra faktorer);
— Hypertermi. Kroppstemperaturen stiger över 37°C;
— Feber. En ökning av kroppstemperaturen, som, till skillnad från hypotermi, sker samtidigt som kroppens termoreglerande mekanismer bibehålls.
Låg kroppstemperatur är mindre vanligt än hög eller hög kroppstemperatur, men ändå är det också ganska farligt för människors liv. Om kroppstemperaturen sjunker till 27°C eller lägre finns det en chans att en person hamnar i koma, även om det har förekommit fall där människor har överlevt vid temperaturer upp till 16°C.
Temperaturen anses vara låg för en vuxen frisk person under 36,0°C. I andra fall bör en låg temperatur betraktas som en temperatur som är 0,5°C - 1,5°C under din normala temperatur.
Kroppstemperaturen anses vara låg vilket är mer än 1,5°C under din normala kroppstemperatur, eller om din temperatur sjunker under 35°C (hypotermi). I det här fallet måste du omedelbart ringa en läkare.
Orsaker till låg temperatur:
- svag immunitet;
- allvarlig hypotermi;
- en följd av en sjukdom;
- sköldkörtelsjukdom;
- mediciner;
- minskat hemoglobin;
- hormonell obalans
- inre blödning;
- förgiftning
- trötthet osv.
De viktigaste och vanligaste symtomen på låg temperatur är förlust av styrka och.
Normal kroppstemperatur, som många experter noterar, beror främst på ålder och tid på dygnet.
Låt oss överväga värden för den övre gränsen för normal kroppstemperatur hos människor i olika åldrar, om de mäts under armen:
— normal temperatur hos nyfödda: 36,8°C;
— normal temperatur hos 6 månader gamla barn: 37,4°C;
— normal temperatur hos 1-åriga barn: 37,4°C;
— normal temperatur hos 3-åriga barn: 37,4°C;
— normal temperatur hos 6-åriga barn: 37,0°C;
— normal temperatur hos vuxna: 36,8°C;
— normal temperatur för vuxna över 65 år: 36,3°C;
Om du mäter temperaturen inte under armarna, kommer termometerns (termometer) avläsningar att skilja sig:
- i munnen - 0,3-0,6°C mer;
- i öronhålan - mer med 0,6-1,2°C;
- i ändtarmen - mer med 0,6-1,2°C.
Det är värt att notera att ovanstående data är baserade på en studie av 90% av patienterna, men samtidigt har 10% en kroppstemperatur som skiljer sig upp eller ner, och samtidigt är de absolut friska. I sådana fall är detta också normen för dem.
I allmänhet är temperaturfluktuationer upp eller ner från normen med mer än 0,5-1,5 ° C en reaktion på eventuella störningar i kroppens funktion. Med andra ord är detta ett tecken på att kroppen kände igen sjukdomen och började bekämpa den.
Om du vill veta den exakta indikatorn på din normala temperatur, kontakta din läkare. Om detta inte är möjligt, gör det själv. För att göra detta behöver du göra temperaturmätningar under flera dagar, när du mår bra, på morgonen, eftermiddagen och kvällen. Skriv ner termometern i din anteckningsbok. Lägg sedan ihop alla indikatorer för morgon-, eftermiddags- och kvällsmätningar separat och dividera summan med antalet mätningar. Medelvärdet kommer att vara din normala temperatur.
Ökad och hög kroppstemperatur är indelad i 4 typer:
— Subfebril: 37°C - 38°C.
— Febril: 38°C - 39°C.
— Pyretisk: 39°C - 41°C.
— Hyperpyretisk:över 41°C.
Maximal kroppstemperatur, vilket anses kritiskt, dvs. då en person dör är 42°C. Det är farligt eftersom ämnesomsättningen i hjärnvävnaden störs, vilket praktiskt taget dödar hela kroppen.
Endast en läkare kan indikera orsakerna till hög temperatur. De vanligaste orsakerna är virus, bakterier och andra främmande mikroorganismer som kommer in i kroppen genom brännskador, störningar, luftburna droppar m.m.
Symtom på feber och feber
— Människans kroppstemperatur (oral temperatur) mättes första gången i Tyskland 1851 med en av de första kvicksilvertermometrarna som dök upp.
– Världens lägsta kroppstemperatur på 14,2 °C registrerades den 23 februari 1994 hos en 2-årig kanadensisk tjej som tillbringade 6 timmar i kylan.
– Den högsta kroppstemperaturen registrerades den 10 juli 1980 på ett sjukhus i Atlanta, USA, hos 52-åriga Willie Jones, som led av värmeslag. Hans temperatur visade sig vara 46,5 °C. Patienten skrevs ut från sjukhuset efter 24 dagar.
