{"id":2665,"date":"2019-01-28T18:05:28","date_gmt":"2019-01-28T18:05:28","guid":{"rendered":"http:\/\/www.o-nauce.pl\/?p=2665"},"modified":"2020-11-05T19:54:24","modified_gmt":"2020-11-05T18:54:24","slug":"polska-kokarda-narodowa-copy-2-copy-copy-copy-copy-copy","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.o-nauce.pl\/?p=2665","title":{"rendered":"Paj\u0105k Kapicy, efekt Meissnera i skraplanie tlenu"},"content":{"rendered":"

[et_pb_section fb_built=”1″ prev_background_color=”#ffffff” _builder_version=”3.22″ background_color=”#efefef” background_image=”https:\/\/www.o-nauce.pl\/wp-content\/uploads\/2019\/02\/naglowek-laboratorium2.jpg” parallax=”on” top_divider_style=”slant2″ top_divider_height=”57px” top_divider_flip=”horizontal”][et_pb_row _builder_version=”3.25″][et_pb_column type=”4_4″ _builder_version=”3.25″ custom_padding=”|||” custom_padding__hover=”|||”][et_pb_post_title author=”off” date=”off” comments=”off” featured_image=”off” text_color=”light” _builder_version=”3.18.2″ title_font=”|||on|||||” title_font_size=”32px” text_orientation=”center” animation_style=”zoom” title_font_size_tablet=”26px” title_font_size_phone=”” title_font_size_last_edited=”on|desktop” text_shadow_style=”preset3″ text_shadow_horizontal_length=”0.08em” text_shadow_vertical_length=”0.08em”][\/et_pb_post_title][\/et_pb_column][\/et_pb_row][\/et_pb_section][et_pb_section fb_built=”1″ _builder_version=”3.22″][et_pb_row column_structure=”1_2,1_2″ _builder_version=”3.25″ background_size=”initial” background_position=”top_left” background_repeat=”repeat” animation_style=”fade”][et_pb_column type=”1_2″ module_class=”guzik_do_filmu ” _builder_version=”3.25″ custom_padding=”|||” custom_padding__hover=”|||”][et_pb_text admin_label=”Nag\u0142\u00f3wek – tytu\u0142” _builder_version=”3.27.4″]<\/p>\n

Eksperymenty z wykorzystaniem ekstremalnie niskich temperatur.<\/h3>\n

[\/et_pb_text][et_pb_button button_url=”#film_kotwica” button_text=”Film – Zobacz” button_alignment=”left” admin_label=”Guzik – Przejd\u017a do Film – tylko MOBILE” module_class=”videokotwicaguzik” _builder_version=”3.18.2″ custom_button=”on” button_icon=”%%198%%” saved_tabs=”all”][\/et_pb_button][et_pb_text _builder_version=”4.6.6″ hover_enabled=”0″ sticky_enabled=”0″]<\/p>\n

Fizyka to dziedzina nauki niezwykle ciekawa. Dla wielu te\u017c tajemnicza, niekiedy trudna do poj\u0119cia. Cho\u0107 kiedy si\u0119 j\u0105 bli\u017cej pozna \u2014 okazuje si\u0119 logiczna, wci\u0105gaj\u0105ca i pi\u0119kna \u2013 szczeg\u00f3lnie, gdy si\u0119ga zjawisk, kt\u00f3re nie \u0142atwo zaobserwowa\u0107 na co dzie\u0144.
Zak\u0142ad Fizyki Niskich Temperatur w Odolanowie jest cz\u0119\u015bci\u0105 Instytutu Fizyki Molekularnej PAN w Poznaniu. Tutaj byli\u015bmy \u015bwiadkami do\u015bwiadcze\u0144 prezentuj\u0105cych zjawiska fizyki w specjalnych warunkach, kt\u00f3re swego czasu by\u0142y prze\u0142omowymi dla nauki, a teraz stanowi\u0105 podstaw\u0119 do poszukiwania materia\u0142\u00f3w niespotykanych w warunkach naturalnych – jakimi s\u0105 np. nadprzewodniki.
D\u0142ugo trwa\u0142o, zanim uda\u0142o si\u0119 naukowcom skropli\u0107 gazy \u2014 tlen czy azot. Trudno by\u0142o uzyska\u0107 podczas bada\u0144 odpowiednio niskie temperatury i odpowiednio wysokie ci\u015bnienie. Ciek\u0142y hel za\u015b, jest jeszcze bardziej \u201ech\u0142odny\u201d. Umo\u017cliwi\u0142 demonstracj\u0119 zjawisk, w kt\u00f3re by uwierzy\u0107, trzeba je po prostu zobaczy\u0107. Potem widz\u0105c \u2026 jeszcze raz postara\u0107 si\u0119 zrozumie\u0107 \u2026 by ju\u017c wiedz\u0105c \u2026 ci\u0105gle nie by\u0107 w pe\u0142ni przekonanym, \u017ce to dzieje si\u0119 na prawd\u0119.<\/p>\n

Poni\u017cej prezentujemy eksperymenty, kt\u00f3re pozwalaj\u0105 zajrze\u0107 odrobin\u0119 w g\u0142\u0105b niezwyk\u0142o\u015bci \u015bwiata fizyki \u2013 nawet tej, kt\u00f3r\u0105 nazywa si\u0119 fizyk\u0105 kwantow\u0105.<\/p>\n

\n\t\t\t\t\t

Skraplanie tlenu<\/span><\/span><\/h3>\n\t\t\t\t\t
\n

Skraplanie tlenu<\/h4>\n<\/blockquote>\n

Do\u015bwiadczenie z wykorzystaniem ciek\u0142ego azotu \u2014 Skraplanie tlenu<\/strong><\/p>\n

W XIX wieku tlen i azot by\u0142y nazywane \u201etwardymi gazami\u201d, czyli takimi, kt\u00f3rych nie mo\u017cna zamieni\u0107 w ciecz. Byli jednak sceptycy tej teorii, wi\u0119c pr\u00f3by skraplania coraz to innych gaz\u00f3w odbywa\u0142y si\u0119 nieprzerwanie. W ko\u0144cu Francuz Louis-Paul Cailletet dzi\u0119ki tzw. metodzie kaskadowej zobaczy\u0142 nietrwa\u0142\u0105, ale widoczn\u0105 mgie\u0142k\u0119 tlenu. Do prze\u0142omu wi\u0119c by\u0142o ju\u017c bardzo blisko.<\/p>\n

5 kwietnia 1883 roku, w Krakowie \u2014 Zygmunt Wr\u00f3blewski i Karol Olszewski<\/a> korzystaj\u0105c z metody Cailleteta, u\u017cywaj\u0105c jednak wrz\u0105cego etylenu pod wysokim ci\u015bnieniem, otrzymali \u2014 po raz pierwszy w \u015bwiecie \u2014\u00a0ciek\u0142y tlen<\/strong><\/a>. Po kilku kolejnych do\u015bwiadczeniach otrzymali r\u00f3wnie\u017c ciek\u0142y azot<\/strong><\/a>.By\u0142o to wielkie wydarzenie w \u015bwiecie nauki. Znikn\u0119\u0142o poj\u0119cie \u201egaz\u00f3w twardych\u201d, wi\u0119c niemo\u017cliwe sta\u0142o si\u0119 rzeczywisto\u015bci\u0105.<\/p>\n

Do\u015bwiadczenia z innymi gazami trwa\u0142y nadal i w lipcu 1908 roku H. Kamerlingh-Onnes skropli\u0142 hel, kt\u00f3ry w stanie ciek\u0142ym ma najni\u017csz\u0105 temperatur\u0119 wrzenia, zaledwie 4 K (-269,15 st. C) w warunkach ci\u015bnienia atmosferycznego. To on r\u00f3wnie\u017c, badaj\u0105c rt\u0119\u0107, w bardzo niskich temperaturach zauwa\u017cy\u0142, \u017ce sch\u0142adzaj\u0105c j\u0105 do temperatury wrzenia helu, jej op\u00f3r elektryczny mala\u0142 i nagle w 4,23 K zanik\u0142. Zjawisko braku oporu elektrycznego nazwano wtedy nadprzewodnictwem.<\/p>\n

O nadprzewodnictwie mo\u017cemy m\u00f3wi\u0107 wtedy, kiedy w metalach czy p\u00f3\u0142przewodnikach zanika ca\u0142kowicie op\u00f3r elektryczny. Zjawisko to mo\u017cemy zaobserwowa\u0107 wtedy, gdy metale, czy inne materia\u0142y przewodz\u0105ce pr\u0105d, sch\u0142odzimy do wystarczaj\u0105co niskiej temperatury.\u00a0<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>

\n\t\t\t\t\t

Efekt Meissnera<\/span><\/span><\/h3>\n\t\t\t\t\t
\n

Efekt Meissnera<\/h4>\n<\/blockquote>\n

Do\u015bwiadczenie z wykorzystaniem ciek\u0142ego azotu \u2014 Efekt Meissnera<\/strong><\/p>\n

Odk\u0105d odkryto zjawisko nadprzewodnictwa, traktowano je g\u0142\u00f3wnie jako doskona\u0142e przewodnictwo elektryczne. W latach 30-tych ubieg\u0142ego wieku jednak, Walther Meissner badaj\u0105c w\u0142a\u015bciwo\u015bci magnetyczne nadprzewodnik\u00f3w stwierdzi\u0142, \u017ce gdy si\u0119 zbli\u017cy magnes do materia\u0142u w stanie nadprzewodz\u0105cym, ten odpycha go niewidzialn\u0105 si\u0142\u0105 jakby sta\u0142 si\u0119 drugim magnesem, a oba ukierunkowane by\u0142y do siebie tymi samymi biegunami. Okaza\u0142o si\u0119, \u017ce to nadprzewodnik, gdy zbli\u017cy si\u0119 do niego magnes, kt\u00f3rego pole normalnie powinno przenika\u0107 przez materia\u0142, wytwarza w\u0142asne pole magnetyczne, kt\u00f3re wypycha pole magnetyczne oddzia\u0142uj\u0105cego na niego z zewn\u0105trz magnesu.<\/p>\n

Meissner badaj\u0105c dalej, spostrzeg\u0142, \u017ce na powierzchni nadprzewodnika pojawiaj\u0105 si\u0119 pr\u0105dy wirowe, wytwarzaj\u0105ce w\u0142a\u015bnie to pole magnetyczne, kt\u00f3re zupe\u0142nie kompensuje i oddzia\u0142uje przeciwnie do pola magnetycznego magnesu umieszczonego w pobli\u017cu. Le\u017c\u0105cy wi\u0119c obok magnesu materia\u0142 (metal czy p\u00f3\u0142przewodnik), je\u015bli b\u0119dziemy sch\u0142adza\u0107 go do odpowiednio niskiej temperatury, nagle stanie si\u0119\u00a0 nadprzewodnikiem i zacznie odpycha\u0107 magnes. Mi\u0119dzy nadprzewodnikiem a magnesem powstaje poduszka magnetyczna \u2026 i na przyk\u0142ad z tego powodu obserwowalny jest w do\u015bwiadczeniach efekt lewitacji<\/strong><\/a>. Zjawisko to nazywamy \u201eefektem Meissnera\u201d<\/strong><\/a>.<\/p>\n

Dzi\u015b by sprawdzi\u0107, czy materia\u0142 jest nadprzewodnikiem nie bada si\u0119 go pod k\u0105tem zerowego oporu elektrycznego lecz w\u0142a\u015bnie wyst\u0119powania w nim efektu Meissnera.<\/p>\n

Materia\u0142y nadprzewodz\u0105ce otrzymujemy w bardzo niskich temperaturach. Dzieli si\u0119 je na niskotemperaturowe, czyli przechodz\u0105ce w stan nadprzewodz\u0105cy poni\u017cej temperatury wrzenia ciek\u0142ego azotu oraz wysokotemperaturowe powy\u017cej wrzenia ciek\u0142ego azotu. Daleko nam jednak, do wytworzenia materia\u0142u, kt\u00f3ry by\u0142by nadprzewodnikiem w temperaturach bliskich tych, w jakich dzia\u0142amy na co dzie\u0144. Fizyka klasyczna nie t\u0142umaczy zjawisk nadprzewodnictwa. Jest kilka teorii wyja\u015bniaj\u0105cych je na podstawie zasady fizyki kwantowej.\u00a0<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>

\n\t\t\t\t\t

Przemiana Lambda i paj\u0105k Kapicy<\/span><\/span><\/h3>\n\t\t\t\t\t
\n

Przemiana Lambda i paj\u0105k Kapicy<\/p>\n<\/blockquote>\n

Do\u015bwiadczenie z wykorzystaniem ciek\u0142ego helu \u2014 Przemiana Lambda i paj\u0105k Kapicy.<\/strong><\/p>\n

Pierwszym, kt\u00f3ry skropli\u0142 hel, by\u0142 Kammerlingh Onnes<\/strong><\/a> w Lejdzie w 1908 roku. Z kolei w 1927 roku, W. H. Keeson i Mieczys\u0142aw Wolfke<\/strong><\/a> (Polak) staraj\u0105c si\u0119 sch\u0142odzi\u0107 ciek\u0142y hel jeszcze bardziej \u2014 stwierdzili, \u017ce przekraczaj\u0105c temperatur\u0119 2,17 K, zmienia si\u0119 on w spos\u00f3b diametralny. Bardzo gwa\u0142townie wrz\u0105cy hel \u2014 nagle \u2014 uspokaja si\u0119, staje si\u0119 idealnie prze\u017aroczysty, nie ma w nim najmniejszych, jakichkolwiek p\u0119cherzyk\u00f3w. Naukowcy nadali wi\u0119c temu \u201espokojnemu\u201d helowi nazw\u0119 helu II, w odr\u00f3\u017cnieniu od helu I, czyli tego sprzed przemiany w temperaturze 2,17 K. Wykazali w ten spos\u00f3b, \u017ce hel wyst\u0119puje w dw\u00f3ch r\u00f3\u017cnych fazach (hel I, hel II), a punktem krytycznym tej przemiany jest temperatura 2,17 K.<\/p>\n

W 1937 Piotr Kapica<\/strong><\/a> zaobserwowa\u0142 zanik lepko\u015bci helu II. Stwierdzi\u0142, \u017ce przep\u0142ywa on, bez straty energii, przez najmniejsze szczeliny, drobniutkie kapilary. Kapica nazwa\u0142 ten stan nadciek\u0142o\u015bci\u0105. Taki hel nadciek\u0142y jest niemal doskona\u0142ym przewodnikiem ciep\u0142a.Laszlo Tisza w 1938 zaproponowa\u0142, by w\u0142asno\u015bci helu II opisa\u0107 za pomoc\u0105 modelu dwup\u0142ynowego. Hel II sk\u0142ada si\u0119 z dw\u00f3ch sk\u0142adowych: nadciek\u0142ej \u2014 pozbawionej entropii oraz sk\u0142adowej normalnej. Model dwup\u0142ynowy ilustruje m.in. dzia\u0142anie aparatu nazwanego \u201epaj\u0105kiem Kapicy\u201d. Sk\u0142adowa nadciek\u0142a nie przenosi energii cieplnej, nie ma lepko\u015bci, p\u0142ynie do \u017ar\u00f3d\u0142a ciep\u0142a, w kierunku przeciwnym do sk\u0142adowej normalnej.<\/p>\n

Nadciek\u0142y hel \u201epe\u0142znie\u201d po powierzchni cia\u0142 sta\u0142ych, wype\u0142niaj\u0105c sob\u0105 ca\u0142\u0105 mo\u017cliw\u0105 przestrze\u0144. Pe\u0142zn\u0105c, warstewka nadciek\u0142ego helu ogrzewa si\u0119 i traci nadciek\u0142o\u015b\u0107, wtedy wyparowuje. Wprawianie nadciek\u0142ego helu w ruch obrotowy powoduje powstawanie uporz\u0105dkowanej sieci wir\u00f3w kwantowych. W miejscu wyst\u0119powania wiru sk\u0142adowa nadciek\u0142a zanika.<\/p>\n

Nadciek\u0142y hel ma jeszcze wi\u0119cej zaskakuj\u0105cych w\u0142asno\u015bci. Pojawi\u0142y si\u0119 takie poj\u0119cia jak efekt fontannowy, drugi d\u017awi\u0119k (a nieco p\u00f3\u017aniej trzeci, czwarty i pi\u0105ty), zjawisko mechanokaloryczne, rotony \u2026Skroplony hel jest to \u201eciecz kwantowa\u201d. W normalnych warunkach (ci\u015bnienia atmosferycznego) hel sch\u0142adzany zawsze pozostaje ciecz\u0105, a\u017c do temperatury 0 K (czyli zera bezwzgl\u0119dnego). Dopiero pod znacznie zwi\u0119kszonym ci\u015bnieniem udaje si\u0119 sch\u0142adzany hel doprowadzi\u0107 do stanu sta\u0142ego \u2013 zamrozi\u0107.To w\u0142a\u015bnie bardzo niskie temperatury umo\u017cliwiaj\u0105 obserwowanie zjawisk fizyki kwantowej. Niezb\u0119dnym medium jest tutaj w\u0142a\u015bnie hel.Dot\u0105d mowa by\u0142a ci\u0105gle o izotopie helu-4, kt\u00f3rego na ziemi jest niewielka ilo\u015b\u0107. Wydobywa si\u0119 go razem gazem ziemnym i oddziela z od innych sk\u0142adnik\u00f3w gazu poprzez destylacj\u0119 frakcyjn\u0105. Wykorzystuj\u0105c za\u015b to, \u017ce przechodzi on w stan nadciek\u0142y, udaje si\u0119 poprzez sita entropowe, oddzieli\u0107 z niego, niewielk\u0105 ilo\u015b\u0107 izotopu 3He. S\u0105dzi si\u0119, \u017ce w nieodleg\u0142ej perspektywie dzi\u0119ki reakcji izotopu helu-3 z deuterem (izotopem wodoru), mo\u017cna b\u0119dzie otrzyma\u0107 doskona\u0142e, bo bezpieczne (bez szkodliwego promieniowania) \u017ar\u00f3d\u0142o tzw. energii j\u0105drowej.<\/div>\n\t\t\t\t<\/div><\/p>\n

Eksperymenty z ciek\u0142ym helem przeprowadzono z u\u017cyciem uk\u0142adu, kt\u00f3rego konstrukcja zosta\u0142a sfinansowana w ramach projektu NCBiR:
INNOTECH-K1\/IN1\/11\/159127\/NCBR\/12 w Zak\u0142adzie Fizyki Niskich Temperatur w Odolanowie<\/p>\n

Realizacj\u0119 filmu dofinansowa\u0142a:<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

[\/et_pb_text][et_pb_toggle title=”Powi\u0105zane tre\u015bci:” open=”on” open_toggle_text_color=”#2a5a53″ icon_color=”#f0f2f3″ admin_label=”Powi\u0105zane tre\u015bci – guzik” _builder_version=”3.18.2″ title_text_color=”#2a5a53″ body_text_color=”#2a5a53″ background_color=”#ffffff” border_radii=”on|0px|0px|0px|0px” border_color_all=”#2a5a53″ border_width_top=”10″ saved_tabs=”all”]<\/p>\n