ابررسانایی

Superconductor Physics

طلا و نقره رسانایی خوبی دارند، ولی چوب و پلاستیک رسانایی ندارند و موادی مانند سیلیسم و ژرمانیوم جزء نیمه رسانا می باشند که جریان الکترومغناطیسی و ترمودینامیکی روی اینها تاثیر جزئی می گذارند و در مقابل جریان رسانایی مقاومت وجود دارند که مانع انتقال جریان انرژی الکتریکی می شود . برای کم کردن مصرف انرژی و کارایی بالاتر و ارزانی وسایل باید دنبال موادی باشیم که مقاومت خیلی خیلی کمی در برابر جریان انرژی الکتریکی داشته باشند و تقریباً برابر مقاومت صفر باشند(ابر رسانا). در بعضی مواد وقتی به این حالت می رسیم که آن مواد در دمای ویژه ای قرار بگیرند که جریان دائماً در آنها برقرار باشد.

ابر رسانا به معنی فوق رسانا می‌باشد و در واقع می‌توان گفت که این واژه در مورد رسانایی فوقالعاده قوی بکار می‌رود و اجسامی را که دارای این خاصیت باشند، اجسام ابر رسانا گویند.

تاریخچه

اولین بار در سال 1908 وقتی که کمرلینگ اونز در دانشگاه لیون موفق به تولید هلیوم مایع گردید، دمایی که در آن اجسام به ابررسانا تبدیل می‌شوند، حاصل شد. چند سال قبل از او معلوم شده بود که مقاومت فلزات وقتی که دمای آنها به پایینتر از دمای اتاق برسد، کاهش پیدا می‌کند. اما معلوم نبود که اگر درجه حرارت تا حدود کلوین تنزل پیدا کند، مقاومت تا چه حد کاهش پیدا خواهد کرد.

اونز که با پلاتنیم کار می‌کرد متوجه شد که مقاومت نمونه وقتی که سرد می‌شود تا یک مقدار کم کاهش پیدا می‌کرد که این کاهش به درجه خلوص نمونه بستگی داشت. در آن زمان خالصترین فلز قابل دسترس جیوه بود. اونز دریافت که پایینتر از 4 درجه کلوین جیوه به یک حالت دیگری از خواص الکتریکی که کاملا با حالت شناخته شده قبلی متفاوت بود، رفته است و این حالت تازه حالت ابر رسانایی نام دارد.

بعدها کشف شد که ابر رسایی را می‌توان از بین برد ( یعنی می‌توان مقاومت الکتریکی را مجددا باز گردانید) و در نتیجه معلوم شد که اگر یک میدان مغناطیسی قوی به فلز اعمال شود، این فلز در حالت ابر رسانایی دارای خواص مغناطیسی بسیار متفاوتی با حالت درجه حرارتهای معمولی می‌باشد. تا کنون مشخص شده است که نصف عناصر فلزی و همچنین چندین آلیاژ در درجه حرارتهای پایین ابر رسانا می‌شوند.

 

انواع ابر رسانا

    ابر رسانای نوع اول: اغلب عناصری که ابر رسانا هستند ابر رسانایی از نوع اول را از خود نشان می‌دهند.

   ابر رسانای نوع دوم: آلیاژها عموما ابر رسانای نوع دوم هستند.

    این دو نوع ابر رسانا چندین خاصیت مشابه دارند اما رفتار مغناطیسی بسیار متفاوتی از خود بروز می‌دهند. به واسطه این تفاوتها میتوان این دو نوع را از هم تشخیص داد.

دمای گذار به ابر رسانایی

دمایی که یک ابر رسانا در آن دما مقاومت خودش را از دست می‌دهد، دمای گذار یا دمای بحران ابر رسانا نامیده می‌شود. هر چند ناخالصیهای مغناطیسی دمای گذار TC را پایین می‌اورند، ولی در حالت کلی دمای گذار TC به مقادیر کم ناخالص زیاد حساس نیست. البته تحقیقات در درجات حرارت پایینتر ممکن است ابر رساناهای جدیدی را بشناساند، اما دلیل اساسی برای این که تمام فلزات حتی در صفر مطلق باید خاصیت ابر رسانایی از خود نشان دهند وجود ندارد. با وجود این باید توجه کرد که ابر رسانایی پدیده نادری نیست. حدودا نصف عناصر فلزی ، معلوم شده است ابر رسانا هستند و به علاوه تعداد زیادی از آلیاژها نیز ابر رسانا می‌باشند.

ممکن است یک آلیاژ حتی اگر از دو فلزی که هیچکدام خود نشان ابر رسانا نیستند تشکیل شده باشد، ابر رسانا باشد. ابر رسانایی ممکن است توسط هادیهایی که فلز به مفهوم عادی نیستند نیز نشان داده شود. برای مثال مخلوط نیمه هادی اکسیدهای با سیم و سرب و بیسموت یک ابر رسانا می‌باشد و همچنین پلمیر پلیسولنور نیتروژن شیمیایی NX در حدود 0.3 درجه کلوین ابر رسانا شده است.

مفهوم مقاومت صفر

مفهوم این که یک فلز ابر رسانا دارای هیچ نوع مقاومتی نیست، در حقیقت به این معنی است که موقعی که جریان از آن عبور کند ولتاژی در دو سر فلز مشاهده نمی‌شود و هیچگونه انرژی از عبور جریان تولید نمی‌شود. این مطلب البته در مورد جریان مستقیم با مقدار ثابت صحیح است. اگر جریان تغییر کند یک میدان الکتریکی تشکیل شده و تعدادی توان تلف می‌شود. برای دانستن دلیل این امر باید رفتار الکترونهای هدایت را در ابر رساناها مورد مطالعه قرار دهیم.

رفتار مغناطیسی ویژه یک ابر رسانا

    اثر مایسنر:

    در سال 1933 مایسنر و اوشن فلر دو دانشمند آلمانی توزیع شار مغناطیسی را در خارج از فلزات قلع و سرب که در یک میدان مغناطیسی تا دمای گذار سرد شد بود اندازه‌ گیری کردند. آنها دریافتند که نمونه‌های مورد آزمایش با وجودی که در میدان مغناطیسی سرد شده بودند در دمای گذارشان بطور آنی به یک دیا مغناطیس کامل تبدیل شده و منقار داخلی حذف می‌شود.

نفوذ پذیری و پذیرفتاری یک ابر رسانا

ابر رسانا یک دیا مغناطیس کامل است و دلیلش این است که شار مغناطیسی تولید شده توسط جریانهای سطحی در همه جا در داخل ، منقار میدان مغناطیسی اعمال شده خارجی را دقیقا خنثی می‌کند.

خاصیت منحصر به فرد ابر رسانا

ابر رساناها دو خاصیت منحصر بفرد از خود بروز می‌دهند. این در خاصیت همان رسانندگی کامل و خاصیت دیا مغناطیس کامل ابر رساناها می‌باشد. رسانندگی آنها ، همانطور که آزمایشهای اصلی اونس و آزمایشهای بعدی نشان دادند، اساسا بینهایت است. همچنین آنها شار مغناطیسی را بطور کامل طرد می‌کنند. به شرط اینکه میدان مغناطیسی در روی سطح ابر رسانا در هیچ جا از میدان بحرانی بیشتر نباشد. این خواص از این لحاظ که هیچکدام از دیگری نتیجه نمی‌شوند مستقل در یکدیگرند. ولی هر دو باید از نظریه‌های رضایت بخش ابر رسانایی نتیجه شوند، که می‌شوند.( منبع دانشنامه رشد. http://daneshnameh.roshd.ir)

 

مهترین کاربرد ابررسانا هاى دماى بالا، در زمینه ساخت آی سی های خیلی سریع می باشد که تحول بزرگی در فناورى اطلاعات ایجاد می کند و می توان آن را با اختراع ترانزیستور ها مقایسه کرد. از کاربرد هاى دیگر ابررساناها با در نظر گرفتن حساسیتشان به میدان مغناطیسى در اکتشافات معدنى، زمین شناختى و ردیابى زیردریایى ها می توان استفاده کرد و همچنین در ساخت قطار هایى که با استفاده از خاصیت میدان مغناطیسى قطار را بالاتر از سطح زمین و بدون اصطکاک با ریل به حرکت درمى آورد. این قطار ها می توانند در کمتر از 1 ساعت مسافتی بیش از 500 کیلومتر را بپیمایند. در خطوط انتقال نیرو با در نظر گرفتن اینکه بتوان ابررسانا ها را سرد نگه داشت، در حدود 80 درصد در مصرف انرژی صرفه جویی می شود. همچنین در وسایل پزشکی و تحقیقاتی نیز کاربرد دارد.