navbar.frm 20180310
ATTENTIE. . ONDERHOUD . . Bijeenkomst op 15 november 2018 . . Elke zondag 145.475 MHz . . 10:30 RTTY bulletin . . 11:00 uur Woerdense Ronde .
W

Supergeleiding en Kamerling Onnes

Cryogeen laboratorium van Kamerlingh Onnes
Cryogeen laboratorium van Kamerlingh Onnes

Supergeleiding is onverwachte verschijnsel dat de elektrische weerstand van sommige materialen beneden een bepaalde lage temperatuur opeens helemaal verdwijnt. Het verschijnsel is op 8 april 1911 in Leiden ontdekt door Heike Kamerlingh Onnes.

De soortelijke weerstand van de meeste geleiders neemt af met afmetende temperatuur. Bij nul graden Kelvin zou de weerstand soortelijke weerstand dan nul moeten zijn.
Maar het verloop, de grafiek, van de weerstand als functie van de temperatuur bleek niet helemaal lineair te zijn.

En dus moest volgens de Britse chemicus Augustus Matthiessen de weerstand van een metaal bestaan uit een optelling van twee weerstanden, een temperatuurafhankelijke elektronenweerstand en een temperatuur onafhankelijke restweerstand die wordt veroorzaakt door onzuiverheden in het metaal.
Bij een dalende temperatuur moest dan de weerstand lineair afnemen om geleidelijk af te buigen naar een constante waarde, de restweerstand.

De Britse natuurkundige Lord Kelvin had een geheel andere theorie. Hij meende dat bij zeer lage temperaturen de elektronen hun beweeglijkheid in het metaal zouden verliezen en op de metaalionen zouden "vastvriezen". Het metaal zou een isolator worden met een oneindige hoge weerstand.

De Nederlandse natuurkundige Hendrik Lorentz beweerde dat de weerstand van een metaal wordt veroorzaakt doordat de geleidingselektronen werden verstrooid door het trillen van het ionenrooster. Bij het absolute nulpunt zal het trillen afnemen, de vrije weglengte van de elektronen toenemen en de weerstand geleidelijk naar nul dalen.

Heike Kamerling Onnes, (1853-1926), bekend door zijn lage temperatuur experimenten met vloeibaar helium, begon hij met een reeks experimenten om definitief een antwoord te verkrijgen over de elektrische weerstand van metalen rond het absolute nulpunt.

Samen met Gilles Holst nam Kamerling Onnes koelde een platinadraad af en zag dat de weerstand bij enkele graden boven het absolute nulpunt gekomen constant bleef. Eenzelfde proef met een gouddraad gaf hetzelfde resultaat. Deze uitkomsten ondersteunden de theorie van Matthiessen en schenen te bevestigen dat de gemeten restweerstand werd veroorzaakt door onzuiverheden in het metaal.

Om hierover uitsluitsel te geven stapte Kamerlingh Onnes over op kwik, een metaal dat door herhaald destilleren zeer zuiver te krijgen is. Op 8 april 1911 startte hij samen met Gilles Holst het experiment. Bij een temperatuur van -269 graden Celsius, (4,2 K) nam hij waar dat de weerstand van het kwik plotseling wegviel, nul werd. "Kwik nagenoeg nul" schreef Kamerlingh Onnes op in zijn notitieschrift. Bij het verhogen van de temperatuur zag Holst dat de weerstand weer terugkwam. Later herhaalde hij het experiment met lood en tin en nam waar dat deze supergeleidend werden bij respectievelijk 7,2 en 3,8 K.
Er bleken dus meerdere materialen supergeleiding te vertonen.

Pas in de jaren vijftig, werd een microscopische beschrijving op basis van de kwantumfysica gegeven voor supergeleiding door de BCS-theorie. In deze theorie treden elektronen in paren op, de zogenoemde Cooper-paren.
Deze theorie leek erop te wijzen dat de hoogste temperatuur waarbij supergeleiding op zou kunnen treden inderdaad rond de 30 K lag. Boven deze temperatuur kunnen vanwege de sterke rooster trillingen geen Cooper-paren meer vormen.

Het was dan ook een grote schok toen de Zwitserse IBM-onderzoekers Muller en Bednorz in 1986 een nieuwe categorie keramische materialen, ontdekten die supergeleidend waren boven deze temperatuur. Dit was mede verrassend omdat het keramisch materiaal, lanthaan-barium-koperoxide, als isolator werd beschouwd.

Een nieuw onderzoek terrein ontstond.
Vandaag de dag zijn er stoffen bekend die supergeleidend zijn tot op 130 K

(Pieter J.T. Bruinsma, PA0PHB 2018/03/31 )

Referenties, meer informatie:
Wikipedia Suprgeleiding
Wikipedia Heike Kamerlingh Onnes
Wikipedia Regel van Matthiessen