خانه / آموزش / ابرسانایی چیست؟
Stickstoff_gekühlter_Supraleiter_schwebt_über_Dauermagneten_2009-06-21

ابرسانایی چیست؟

اَبَررسانایی چیست؟ آگاهی ما از علوم دماپایین به چه اندازه ست؟ انواع میدان های مغناطیسی را می شناسیم؟کاربرذ ابررسانایی چیست؟

بطور کلی تصوری هست که می گویید : دسته ی از  تعاریف  و کلمات درون علم فیزیک هستند که حتی توضیح آن به مخاطب عادی کمی سخت است،یکی از دلایل چنین تصوری هم اینست که مخاطب با شنیدن کلمات به ظاهرعجیب غریب فیزیک این تصور را برایش ایجاد می شود،که بله..من این موضوع را نمی فهمم،چون فیزیک را مطالعه نکرده ام!.. مسلما چنین تصوری از پایه اشتباه است.. چون ما هنوز خود را درگیر آن موضوع نکرده ایم حق نداریم از کنار آن به راحتی بگذریم..

قبل از تعریف ابررسانایی لازم است کمی در مورد خاصیت دیامغناطیس بدانیم..

 همانطور که میدانیم منشا مغناطیس مواد  برهم کنش بین الکترون ها ست،. منشا وجود مغناطیس در اتم ها اندازه حرکت زاویه ای مداری و اندازه حرکت زاویه ای اسپینی الکترون ها است ولی تعیین جهت گیری مغناطیسی نسبی الکترونهای واقع در یک یون که در یک شبکه بلوری قرارگرفته به برهمکنش بین الکترون ها بستگی دارد. طبیعی ترین روش برای دسته بندی خواص مغناطیسی مواد توجه به پاسخگویی آنها به یک میدان مغناطیسی خارجی است. بر این اساس مواد مغناطیسی به فازهای دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس، پاد‌فرومغناطیس و فری‌مغناطیس تقسیم‌بندی می‌شوند.

اما فاز دیا مغناطیس (Diamagnetic): اجسامی هستندکه در آنها هیچ ذره ای (اتم یا مولکول) خواص مغناطیسی ندارند مگر اینکه در میدانخارجی قرار گیرند و تنها و فقط میدان خارجی این ذرات را 
به مغناطیس های بنیادی (که جریانهای بنیادی را موجب می شوند) در جهت های معین تبدیل میکند

dia-magnetism

البته این سری مواد داری این ویژگی را بطور معمول فیزیکدانان در رسته بدون مغناطیس ها قرار می دهند،چرا که هم بسیار ضعیفی در کنش واکنش ها ایفا می کنند، پس موادی که دیامغناطیس (دیا مگنتیک) گفته می‌شوند، آن‌هایی هستند که معمولاً باید بدون مغناطیس در نظر گرفت  که شامل آب، چوب، اغلب ترکیبات زیستی مثل نفت خام و اغلب پلاستیک‌ها و اکثر فلزات که شامل مس یا اکثر الکترونهای هسته‌ای (مرکزی) مثل جیوه، طلا، یا بیسموت می‌باشند. دیامغناطیس‌هایی از قطعات مولکولی گوناگونی اند  که مقدارهای ثابت پاسکال نامیده می‌شوند. مواد دیامغناطیس یک نفوذپذیری مغناطیس وابسته‌ای را دارد که کمتر از ۱ است. ینابراین، یک قابلیت مغناطیس پذیری دارد که کمتر از ۰ است و نیز بامیدان‌های مغناطیس دفع می‌شوند. بنابراین، دیامغناطیس یک خاصیت ضعیف است که تأثیرات آن در هر روز قابل مشاهده نمی‌باشد.

اَبَررسانایی (supercondutivity)

در سال ۱۹۰۸ وقتی هایک کمرلینگ اونز هلندی در دانشگاه لیدنموفق به تولید هلیوم مایع گردید حاصل شد که با استفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود یک درجه کلوین برسد. یکی از اولین بررسی‌هایی که اونز با این درجه حرارت پایین قابل دسترسی انجام داد مطالعه تغییرات مقاومت الکتریکی فلزات بر حسب درجه حرارت بود. چندین سال قبل از آن معلوم شده بود که مقاومت فلزات وقتی دمای آنها به پایین‌تر از دمای اتاق برسد کاهش پیدا می‌کند. اما معلوم نبود که اگر درجه حرارت تا حدود کلوین تنزیل یابد مقاومت تا چه حد کاهش پیدا می‌کند. آقای اونز که با پلاتینیم کار می‌کرد متوجه شد که مقاومت نمونه سرد تا یک مقدار کم کاهش پیدا می‌کرد که این کاهش به خلوص نمونه بستگی داشت. در آن زمان خالص‌ترین فلز قابل دسترس جیوه بود و در تلاش برای بدست آوردن رفتار فلز خیلی خالص اونز مقاومت جیوه خالص را اندازه گرفت. او متوجه شد که در درجه حرارت خیلی پایین مقاومت جیوه تا حد غیر قابل اندازه‌گیری کاهش پیدا می‌کند که البته این موضوع زیاد شگفت انگیز نبود اما نحوه از بین رفتن مقاومت غیر منتظره می‌نمود. موقعی که درجه حرارت به سمت صفر تنزل داده می‌شود به جای اینکه مقاومت به آرامی کاهش یابد در درجه حرارت ۴ کلوین ناگهان افت می‌کرد و پایین‌تر از این درجه حرارت جیوه هیچ‌گونه مقاومتی از خود نشان نمی‌داد. همچنین این گذرا ناگهانی به حالت بی‌مقاومتی فقط مربوط به خواص فلزات نمی‌شد و حتی اگر جیوه ناخالص بود اتفاق می‌افتاد. آقای اونز قبول کرد که پایین‌تر از ۴ کلوین،جیوه به یک حالت دیگری از خواص الکتریکی که کاملا با حالت شناخته شده قبلی متفاوت بود رفته است و این حالت تازه «ابررسانایی» نام گرفت.

superconductor2

.بطور کلی پدیده‌ای است که در دمایهای  بسیار پایین برای برخی از مواد رخ می‌دهد. در حالت ابررسانایی مقاومت الکتریکی ماده صفر می‌شود و ماده خاصیت دیامغناطیس کامل پیدا می‌کند، و همان طور که در ابتدای مطلب گفته شد میدان مغناطیسی را از درون خود طرد می‌کند. طرد میدان مغناطیسی تنها تفاوت اصلی ابررسانا با رسانای کامل است، زیرا در رسانای کامل انتظار می‌رود میدان مغناطیسی ثابت بماند، در حالی که در ابررسانا میدان مغناطیسی همواره صفر و قابل چشم پوشی ست! بعدها کشف شد که ابررسانایی را می‌توان از بین برد (یعنی مقاومت الکتریکی را می‌توان مجددا بازگردانید.) و در نتیجه معلوم شد که اگر یک میدان مغناطیسی قوی به فلز اعمال شود این فلز در حالت ابررسانایی دارای خواص مغناطیسی بسیار متفاوتی با حالت درجه حرارتهای معمولی می‌باشد. تاکنون مشخص شده است که نصف عناصر فلزی و همچنین چندین آلیاژ در درجه حرارت‌های پایین ابررسانا می‌شوند. مقاومت الکتریکی هادی‌های فلزی معمول، مثل مس و نقره، نیز با کاهش دما کم می‌شود، با این حال در اثر وجود ناخالصی در این هادی‌ها، حتی در دمای صفر مطلق نیز، مقاومت الکتریکی آنها صفر نخواهد بود. اما مقاومت الکتریکی یک ابررسانا، با کاهش دمای آن به زیر دمای مشخصی، که دمای بحرانی TCنامیده می‌شود، به صفر خواهد رسید.

AbarResana1

درشکل بالا اثر مایسنر( ناپدید شدن مقاومت الکتریکی) را بصورت شماتیک نمایش داده شده .

مقاومت الکتریکی یک رسانای فلزی به تدریج با کاهش دما کم می‌شود. در رساناهای معمولی مثل مس و نقره، وجود ناخالصی و مشکلات دیگر این روند را کند می‌کند. به طوری که حتی در صفر مطلق هم نمونه‌های معمول مس همچنان مقاومت الکتریکی کمی دارند. در مقابل ابررساناها موادی هستند که اگر دمایشان از یک دمای بحرانی کمتر شود، ناگهان مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهند. جریانی از الکتریسیته در یک حلقهٔ ابررسانا می‌تواند برای مدت نامحدودی بدون وجود مولد جریان وجود داشته باشد. مانند پدیدهٔ فرومغناطیس و خطوط طیفی اتم‌ها، ابررسانایی نیز پدیده‌ای کوانتومی است۔، ھر چند یک تئوری جهانشمول برای اَبَررسانایی وجود ندارد. و نمی‌توان آن را با فیزیک کلاسیک به مانند یک رسانای مطلوب توصیف کرد.

ابررسانایی در دمای بالا

پدیدهٔ ابررسانایی برای طیف وسیعی از مواد مانند قلع و آلومینیوم وجود دارد. همچنین برخی آلیاژها و نیمه‌رساناها نیز ابررسانا هستند، ولی فلزاتی مثلطلا و نقره این پدیده را از خود نشان نمی‌دهند، همچنین پدیدهٔ ابررسانایی در فلزات فرومغناطیس هم روی نمی‌دهد. در سال ۱۹۸۶ ابررسانایی دمای بالا کشف شد. دمای بحرانی این ابررساناها بیش از ۹۰ کلوین است. نظریه‌های کنونی ابررسانایی نمی‌توانند ابررسانایی دمای بالا را، که بهابررسانایی نوع ۲ (Type II) معروف است، توضیح دهند. از نظر عملی ابرساناهای دمای بالا کاربردهای بسیار بیشتری دارند، زیرا در دماهایی ابررسانا می‌شوند که راحت‌تر قابل ایجاد هستند. پژوهش برای یافتن موادی که دمای بحرانی آن‌ها باز هم بیشتر باشد، و همچنین برای یافتن نظریه‌ای برای توضیح ابررسانایی دمای بالا همچنان ادامه دارد.

ابررساناهای دمای پایین امروزه در ساخت آهنرباهای ویژه طیف سنج‌های رزونانس مغناطیسی هسته، آنژیوگرافی تشدید مغناطیسی برای مقاصد تشخیص طبی، شتاب دهنده ذره‌ها، ترنهای سریع مغناطیسی و انواع ابزارهای رسانایی الکترونیکی بکار می‌رود. اما برای اینکه ابررساناهای دمای بالا در کاربردهای میدان مغناطیسی در دمای بالا رقابت کنند، هنوز زمان لازم دارد، این بعلت دشواری در تولید انبوه و با کیفیت بالاست. اگر چه در حال حاضر، بازار ابررساناهای دمای بالا رونق کمی دارد، گمان می‌رود که در خلال دو دهه آینده کاربر د آن فراگیر و پررونق شود.

Bt-ph-272-3

آهنرباهای ابررسانا از قوی‌ترین آهنرباهای الکتریکی موجود در جهان هستند. از آنها در قطارهای سریع‌السیر برقی و دستگاه‌های MRI و NMR و هدایت کردن ذرات در شتاب دهنده‌ها استفاده می‌شود. همچنین می‌توان به عنوان جدا کننده‌های مغناطیسی در جاهایی که ذرات مغناطیسی ضعیف خارج می‌شود مثلاً در صنایع رنگ سازی استفاده شود.

همچنین از ابررساناها در مدارات دیجیتالی نیز استفاده می‌شود به عنوان مثال در ایستگاه های RF و موبایل در ایستگاههای امواج ماکروویو.

 

از ابررساناها در Josephson junction برای ساختن بلوک‌های ساختمان SQUID استفاده می‌شود. SQUID حساسترین اندازه‌گیر امواج مغناطیسی می‌باشد.

سری دیگر دستگاه‌های Josephson برای ردیابی فوتون و یا به عنوان میکسر استفاده می‌شود. از مقاومت هایی که به ابررسانا تبدیل می‌شوند نیز در ساختن دماسنج و گرما سنج های حساس micro-calorimeter ردیاب فوتونی استفاده می‌شود.

یک کاربرد آرمانی برای ابررساناها، استفاده از آن ها در انتقال قدرت به شهرهاست. اگرچه به خاطر قیمت بالا و نشدنی بودن سرد سازی مایل ها سیم ابررسانا برای رسیدن به دماهای بسیار پایین، این کار تا به حال تنها در اندازه آزمایش باقی‌مانده است.

محققان امیدوارند که در آینده از ابررسانا در ساختن ترانسفورماتورها، وسایل ذخیرهٔ برق، الکتروموتورها، محدود کردن جریان اتصال کوتاه، وسایل شناور مغناطیسی استفاده کنند. اما چون ابررساناها به تغییر و حرکت میدان مغناطیسی حساسند استفاده از آن‌ها در برق جریان متناوب مثل ترانسفورماتورها بسیار سخت پیشرفت می‌کند ترجیحاً در حیطهٔ کاری جریان مستقیم می‌باشد.

2805081403_715be699d2

در پایان ذکر این نکته الزامیست که اگر بتوان راهی ساده و ارزان برای تولید مواد ابررسانا ایجاد کرد شاید بتوان گفت انقلابی در زمینه فناوری و تکنولوژی ایجاد و تاثیرات بسیار عمیقی را در جهان ما خواهد داشت.

 

 

 

 

 

 

 


لینک کوتاه برای اشتراک گذاری :



ittl in telegram

درباره ی امیر کرد

می توانید پستهای زیر رانیز چک کنید

۲۵ مرداد: سالگرد درگذشت جان پمبرتون، خالق کوکاکولا

۲۵ مرداد: سالگرد درگذشت جان پمبرتون، خالق کوکاکولا

۱۲۹ سال پیش در چنین روزی، جان پمبرتون، شیمیدان و مخترع آمریکایی چشم از جهان فروبست. شاید این نام چندان آشنا نباشد؛ ولی وی با اختراع کوکاکولا دنیایی را به تسخیر خود درآورده است.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.