Laetemperatuurfisika

Die term lae temperature word in die laetemperatuurfisika gebruik om die laagste moontlike temperature, dit wil sê temperature baie naby aan die absolute nulpunt (0 K), aan te dui. By sulke lae temperature verskil die gedrag van 'n stof (as 'n fisies stelsel) heelwat van die gedrag daarvan by kamertemperatuur.

By die absolute nulpunt is daar veral twee interessante verskynsels wat maar eers aan die begin van die 20e eeu ontdek is, naamlik die supergeleiding van warmte en elektriese stroom in metale en die wrywinglose vloei (supervloeibaarheid) van vloeibare helium. Hoewel die kwantummeganika heelwat daartoe bydra om hierdie verskynsels te verklaar, kan geen volledige verklaring nog daarvoor gegee word nie.

Teorie

Die meeste eienskappe van gasse kan verklaar word deur aan te neem dat 'n gas uit willekeurig bewegende molekules bestaan wat dikwels teen mekaar bots en kinetiese energie besit. In die geval van 'n ideale gas (waarin daar geen interaksie tussen die molekules plaasvind nie) is die temperatuur (T) eweredig aan die kwadraat van die gemiddelde snelheid van die molekules en word daar verwag dat die snelheid van die molekules nul (zero) sal wees wanneer T = O.

Na aanleiding hiervan sal die gasdeeltjies dan in rus wees as dit by die absolute nulpunt in temperatuur verkeer. Daar vind egter steeds sekere fisiese prosesse plaas in gasse, vloeistowwe en vaste stowwe wat naby die absolute nulpunt verkeer, en die molekules vibreer (nulpuntsenergie) omdat geen deeltjie volgens die kwantummeganika gelyktydig absolute waardes van posisie en beweging kan hê nie.

Bose-Einstein-kondensasie

Die fisikus Albert Einstein het in 1924 op die gedagte gekom dat 'n ideale gas (byvoorbeeld Bose se gas) nie bloot sou kondenseer as die temperatuur daarvan verlaag word nie, maar dat die gasdeeltjies hulle by die oorgangstemperatuur (T₀) sou ophoop in 'n toestand met impuls (energie) gelyk aan zero (nul).

Voordat die deeltjies tot stilstand kom, beweeg dit met verskillende snelhede, en die posisie wat elke deeltjie op 'n gegewe oomblik inneem, sal eweredig aan daardie snelheid wees. Fritz London het in 1938 eksperimente met vloeibare helium begin doen. (Hoewel helium nie ʼn ideale gas is nie, is die kragtewerking tussen die gasdeeltjies uitsonderlik laag.) London het die oorgangstemperatuur vir helium op 3, 14 K bereken, maar die gemete oorgangstemperatuur was 2,18 K en dit kan verklaar word deur die feit dat die heliummolekules tog kragte op mekaar uitoefen en nulpuntsenergie besit.

Tweevloeistofmodel

'n Ander wetenskaplike, Tisza, het ook in 1938 aan die teorie van die BoseEinstein- kondensasie gewerk en die gevolgtrekking gemaak dat daar van twee soorte helium sprake was, naamlik vloeibare helium met molekules wat hulle in die toestand met impuls = 0 bevind en 'n supervloeibare komponent bevat, en molekules wat die normaal vloeibare komponent bevat, sodat dit by stroming wrywing sou ondervind. Namate helium dus afgekoel word, neem die normaal vloeibare komponent af en die super-vloeibare komponent toe.

As helium dan byvoorbeeld aan stroming deur ʼn baie nou kanaal (kapillêre beweging) onderwerp word, neem slegs die superkomponent daaraan deel. In 1946 het Andronikashvili ʼn eksperiment uitgevoer waarby hy mikaskyfies in helium II laat ossilleer het. Hy het waargeneem dat die ossillasies gedemp word omdat die normale komponent wrywing in die helium veroorsaak het.

Deur die frekwensie (aantal trillings per sekonde) van die ossillasies te varieer, het hy waargeneem hoe die een komponent afneem terwyl die ander een toeneem, en dit tot 'n verhoging in temperatuur lei (en die helium hittegolwe afgegee het).

Supergeleiding

Die wetenskaplikes Gorteren Casimir het in 1934, met die Bose-Einstein-kondensasie as grondslag, van die veronderstelling uitgegaan dat daar by supergeleiers 'n soort kondensasie van elektrone plaasvind en dat daar dus ook sprake van normale en supergeleidende elektrone is. Die kondensasie van elektrone sou beteken dat (net soos by die Bose-Einstein-kondensasie) die supergeleidende elektrone hulle in die toestand van impuls = 0 bevind en geen interaksie met die atome in 'n geleier sal ondervind nie.

Die totale elektronstroom (elektriese stroom) is dan die som van die normale en supergeleidende elektrone waarby die Ohm se wet slegs op die normale elektrone van toepassing is.

BCS-teorie

In 1957 is die fundamentele teorie vir supergeleiding ontwikkel en die grondleggers daarvan, John Bardeen (gebore 1908), Leon N. Cooper (gebore 1930) en John R. Schriffer (gebore 1931), het in 1972 die Nobelprys daarvoor ontvang, Volgens die BCS-teorie is daar in geleiers elektronpare wat ʼn teenoorgestelde spin ten opsigte van mekaar uitvoer (dit is bekend dat elektrone nie alleen om ʼn atoomkern nie maar ook in 'n spinbeweging om hulle eie as roteer.)

Hierdeur word die afstotende krag tussen die negatief gelaaide elektrone opgehef. Die elektronpare (Cooper-pare) vorm dan die supergeleidende elektrone, terwyl die onverbonde elektrone die normaal geleidende elektrone is.

Eksperimente

Die begrip "absolute nulpunt" kom ook by die bestudering van die gaswette ter sprake. Volgens die volumewet van Gay-Lussac is die volume van 'n gas by 'n konstante druk van die temperatuur afhanklik en neem die volume reëlmatig af namate die temperatuur afneem. Die temperatuur waarby die volume tot nul daal (altans teoreties), word die absolute nulpunt genoem, wat by - 273,15 °C lê. Die aantal grade bokant die absolute nulpunt word die absolute temperatuur genoem en in Kelvin (K) uitgedruk.

Vloeibare helium

Werklik lae temperature word vereis om gasse vloeibaar te maak. In 1877 is daar vir die eerste keer daarin geslaag om suurstof vloeibaar te maak (kookpunt by 1 at, 90 K). In 1895 het lug (77 K) en in 1900 waterstof (20,6 K) aan die beurt gekom. In 1908 het Heike K. Onnes uiteindelik daarin geslaag om helium by 4,2 K vloeibaar te maak en met die geredelik beskikbare vloeibare helium kon enige gewenste materiaal tot hierdie uiters lae temperatuur afgekoel word.

Hoewel dit in 1911 tot die ontdekking van supergeleiding gelei het, het helium self ook merkwaardige eienskappe getoon. Dit is egter grotendeels oor die hoof gesien, klaarblyklik omdat helium in ondeursigtige (metaal) vate bewaar is, en dit het dertig jaar geduur voordat die afwykende stromingseienskappe van helium (by 2,18 K) ontdek is. Onnes het wel ontdek dat die digtheid van vloeibare helium by ʼn lae temperatuur skerp toeneem, terwyl Willem H. Keesom en Wolfke dieselfde gedrag ten opsigte van die relatiewe permitiwiteit (diëlektriese konstante of vermoë om 'n elektriese lading op te gaar) daarvan waargeneem en tot die gevolgtrekking gekom het dat helium in 'n afwykende fase (toestand) verkeer.

Die temperatuur waarby die oorgang in die afwykende fase plaasvind (by normale druk). Word die lambdapunt (Tλ) genoem en vloeibare helium bo Tλ is helium I terwyl dit onder Tλ helium II is.

Warmtegeleiding

In 1932 het McLennan, Smith en Wilhelm in Toronto (waar glashouers gebruik is) 'n merkwaardige verandering in die uiterlike voorkoms van helium benede Tλ opgemerk. Bokant Tλ het die vloeistof hewig met die geringste warmtetoevoer gekook, maar nie onder Tλ nie. Hierna het ontdekkings mekaar snel opgevolg en in 1937 het Allen, Peierls en Uddin byvoorbeeld gevind dat warmtegeleiding in helium II nie eweredig aan temperatuurverskille is nie, en boonop abnormaal hoog is.

Dit verklaar dan ook die afwesigheid van die kookverskynsel, want deur die uitstekende warmtegeleiding het die vloeistof in die geheel dieselfde temperatuur gehad en kon daar nie borrels daarbinne ontstaan nie.

Supervloeibaarheid

In 1930 het Keesom, saam met Van de Ende, ook reeds per toeval ontdek dat helium II met verbasende gemak deur 'n baie klein opening kon ontsnap terwyl dit (as gas) by hoër temperature hoegenaamd nie deur dieselfde opening kan kom nie.

Allen, Misener en, onafhanklik van hulle, Kapitza, het in 1938 gevind dat die viskositeit van helium II onmeetbaar klein is en die verskynsel waarby vloeistofbeweging nie met merkbare wrywing gepaard gaan nie, superfluïditeit of supervloeibaarheid genoem. Dit is vergelykbaar met supergeleiding waarby 'n elektriese stroom ʼn onmeetbaar klein elektriese weerstand ondervind.

Filmstroom

Onnes het reeds in 1922 vasgestel dat helium (tot sy ergernis) as ‘n dun film teen die wand van 'n beker boon toe gekruip en weggestroom het. Dit op sigself is nie uniek nie, maar Rollin het in 1936 ontdek dat hierdie filmstroom plotseling sterk toeneem (Rollin-film) as die temperatuur onder Tλ daal. Die filmstroom blyk ook onafhanklik van die verskil in heliumvlakke binne en buite die houer, maar sterk afhanklik van die temperatuur te wees. Die dikte van so 'n film is ongeveer 300 x 10¯¹⁰m (‘n laag van slegs enkele honderde atome), terwyl die stroomsnelheid (by 1 ,5 K) tussen 0,2 en 0,4 m/s is.

Supergeleiding

Met vloeibare helium beskikbaar, het Heike Onnes allerhande materiale daarmee verkoel en in 1911 vasgestel dat wanneer kwik tot benede 4,2 K afgekoel word, die elektriese weerstand daarvan prakties tot nul gedaal het. Normaalweg het ʼn geleier (soos kwik of koper) ʼn meetbare elektriese weerstand en sal daar slegs 'n stroom daarin vloei as daar 'n spanningsverskil tussen die punte van die geleier is.

Sodra die spanning wegval (wat byvoorbeeld met 'n battery aangebring is en die battery dan verwyder word), sal die wrywing wat die weerstand meebring, veroorsaak dat die elektriese stroom ophou vloei. By 'n supergeleier soos die sterk verkoelde kwik sal 'n stroom egter aanhou vloei as die spanningsbron verwyder word, mits die geleier ʼn ononderbroke kring vorm. Dit is dan (teoreties) moontlik dat 'n elektriese stroom feitlik onbepaald kan bly voortvloei sonder dat bykomende energie vereis word.

Magneetveld

Dit het spoedig geblyk dat die supergeleidende eienskappe verlore gaan as 'n supergeleier in ʼn magneetveld geplaas word. Hoe laer die temperatuur van die geleiers, hoe sterker veld word vereis. Die invloed van 'n magneetveld bring onder meer die interessante verskynsel mee dat 'n supergeleier 'n kritiese punt bereik waarby die stroom wat daarin vloei, die supergeleier in 'n gewone geleier sal laat oorgaan.

Dit is bekend dat ʼn stroomdraende geleier (normaalweg) 'n magneetveld om die geleier laat ontstaan wat eweredig aan die grootte van die stroom is. By ʼn supergeleier tree dieselfde verskynsel op, maar aangesien ʼn magneetveld die supergeleidende eienskappe beïnvloed, kan dit gebeur dat die stroom so 'n sterk veld opbou dat die veld die supergeleiers in 'n gewone geleier verander.

Kriotron

Die verandering van die eienskappe van 'n supergeleier onder die invloed van 'n magneetveld kan in 'n skakelaar toepassing vind. 'n Kriotron is byvoorbeeld so 'n skakelaar wat uit 'n dun film (op 'n nie-geleidende laag) temperatuurgevoelige metaal bestaan. Die metaalfilm het 'n klein deursnee en 'n hoë weerstand en staan normaalweg "oop". As die temperatuur van die film drasties verlaag word, word die film supergeleidend (die skakelaar word gesluit) en kan dit 'n groot stroom deurlaat. Net so kan die skakelaar by die uiters lae temperatuur normaalweg "aan" wees en met ʼn sterk elektromagneet "af"- geskakel word.

Ander gebruike

Die weerstand van 'n normale stroomgeleidende kabel is eweredig aan die lengte van die kabel, en al is die weerstand by ʼn goeie geleier weglaatbaar klein, moet dit by baie lang kabels tog in berekening gebring word, aangesien dit verliese van tot 5% in die kabel kan meebring. Met ondergrondse supergeleidende kabels kan nie alleen die verliese verminder word nie, maar ook dunner kabels gebruik word.

Die feit dat 'n elektriese stroom geen weerstand in 'n supergeleier ondervind en daar dus geen warmteverlies is nie, bring mee dat dit baie geskik is vir groot elektromagnete. Enige (normale) geleier wat spiraalvormig (in 'n spoel) gewikkel is, ontwikkel warmte en by die enorme elektromagnete wat byvoorbeeld by deeltjieversnellers gebruik word, kan dit veroorsaak dat die spoele selfs kan smelt (deeltjieversnellers word onder meer in kerninstallasies gebruik om atoomdeeltjies mee te versnel).

'n Supergeleidende spoel skakel nie alleen die warmte uit nie, maar het ook die voordeel dat die stroom daarin nie veel energie vereis am te bly vloei nie. Supergeleidende elektromagneetspoele word ook by magneetkussingtreine gebruik om die veld op te wek waarop die trein moet "sweet". Hierdie metode, MAGLEV (magnetic levitation), vereis ʼn geweldige sterk magneetveld om die trein met sy groot gewig bokant die spoor te hou, en 'n gewone spoel sou, al kon dit dieselfde veldsterkte opbou, oorverhit het.

Toekoms

Supergeleiers speel 'n al hoe belangriker rol in die rekenaartegnologie. 'n Rekenaar bevat ʼn enorme aantal geleiers en haltgeleiers (transistors en geïntegreerde stroomkringe) wat nie alleen warmte opwek nie, maar ook die snelheid waarteen die rekenaar werk, beïnvloed omdat elke transistortjie 'n sekere tyd neem om aan of af te skakel.

Die warmte sowel as die vertragings in ʼn rekenaar is die gevolg van die wrywing wat die elektrone in die geleiers en halfgeleiers ondervind, en aangesien daar geen wrywing in supergeleiers is nie, word sulke probleme dan oorkom.

Bronne

• Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409575 band