مقاله شماره 13:خاصیت ابررسانایی (فوق هادی)

[s.kh65]

بهتر است ابتدا تعریفی از یک ماده ابررسانا ارائه دهم:

به هر رسانای الکتریکی که مقاومت الکتریکی آن صفر باشد، (یعنی جریان بدون اتلاف از رسانا عبور کند) ابررسانا اطلاق می گردد.
در دماهای معمولی و به خودی خود ماده ای با همچین شرایطی وجود ندارد و حتی بهترین رسانا ها درصدی از جریان ورودی را تلف می کنند که در نتیجه مقاومت درون رساناست که به صورت گرما نمایان می شود.

ولی...
یکی از بزرگترین تحولات وقتی اتفاق افتاد که اولین ماده که فلز مایع یعنی جیوه بود با کاهش دمای جیوه به دمای نیترژن مایع( 77- )(مطمئن نیستم

) به خاصیت ابررسانایی خود رسید.

علت
بزارید ساده بیان کنم:
همان طوری که همه می دونند موادی رسانا هستند که الکترون یا یون آزاد داشته باشند. این الکترون ها و یا بارهای مثبت و منفی، در حضور یک میدان الکتریکی اعمالی حرکت کرده و سبب ایجاد جریان الکتریکی و شارش بار می شوند. ولی در مسیر این حرکت الکترون ها یا یون ها، اتم های ماده پراکنده شده اند و حرکت دارند. هر چه دما بیشتر باشد این تحرک اتم ها بیشتر بوده و امکان برخورد حاملان بار به آنها بیشتر و در هر برخورد نیز بخشی از انرژی از دست می رود. لذا در نهایت درصد قابل توجهی اتلاف انرژی مشهود است.

حال این سوال مطرح است که چطور جیوه ابررسانا شد؟

تا آنجایی که من در خاطرم هست این اثر بصورت اتفاقی در ضمن یک آزمایش دیگر مشاهده شد و آزمایش برای کشف این اثر طراحی نشده بود. شرایط آزمایش دماهای فوق العاده پایین را طلب می کرد که همین جا بود که آقای ( اسمش در خاطرم نیست

) متوجه شدند که جریان عبوری از جیوه بدون اتلاف انرژی است.
حال با توجه به مطلبی که در بالا بیان شد واضح است که علت چیست... بله، دمای پایین و رسیدن جیوه به دمای بحرانی انتقال به ابررسانایی اش به صورت اتفاقی اولین جرقه ساخت ابررساناها را محقق کرد.
لازم می دونم این نکته را هم بیان کنم که فقط کاهش دما کافی نیست چرا که فقط در زیر یک دمای خاص( که برای هر ماده ای مشخص و با سایر مواد متفاوت است) این خاصیت در ماده ایجاد می گردد. با کاهش دما مقاومت کاهش و کاهش می یابد و سرانجام در یک دما به صفر می رسد.

در ادامه این خاصیت را به طور علمی و با بیان ویژگی های مواد ابررسانا و کاربردهای آنها بیان خواهم کرد.

مطالبی که تا کنون خواندید، بیان پدیده مذکور به زبان بنده و با توجه به اطلاعات شخصی و صرفا برای آشنایی مقدماتی علاقمندان به این مبحث بیان شده است. امیدوارم روزنه ای در حد اپسیلن در ذهن آنانی که برای اولین بار با این مطلب روبرو می شوند ایجاد کرده باشم.

ابررسانایی و مغناطیس:

بر طبق یکی از قوانین بنیادی الکترومغناطیس ماکسول، یک هادی مطلق(فوق هادی) اجازه نخواهد داد هیچ تغییری در میدان مغناطیسی داخلیش صورت پذیرد.
(در مواد غیر ابررسانا میدان مغناطیسی بدون ذره ای انحراف از ماده عبور می کند ولی در یک ابررسانا خطوط میدان مغناطیسی به هیچ وجه در آن وارد نمی شود و اگر در مسیر میدان مغناطیسی وارد شود میدان مسیر خود را تغییر داده و ماده ابررسانا را دور می زند. به عبارت دیگر خطوط میدان وارد ابررسانا نشده و میدان مغناطیسی داخل ابررسانا بدون تغییر باقی می ماند)
یعنی اگر آهنربایی نزدیک یک فوق هادی بیاوریم، خطوط نیرو وارد آن نخواهد شد، زیرا اگر وارد فوق هادی می شدند، میدان مغناطیسی مانند قبل نبود و تغییر می کرد.
فوق هادیها میدان مغناطیسی را که به آنها اعمال شده را باز می گردانند. در نتیجه آهنربا را دفع می کنند و ضد مغناطیس ( دیا مغناطیس ) هستند.
حتی اگر بخواهیم ماده ای را در حضور میدان مغناطیسی آنچنان سرد کنیم که ابررسانا شود، وقتی آن ماده ابررسانا شد، میدان مغناطیسی که در ابتدا در آن بوده را بیرون می راند. لذا می توان گفت که فوق هادی صرفا یک هادی مطلق نیست، بلکه یک ضد مغناطیس مطلق نیز هست، یعنی همواره میدان های مغناطیسی را دفع می کند.

یک مغناطیس قرار داده شده بر روی سطح ابررسانا، شناور ( معلق ) می گردد. یعنی آن در وسط هوا معلق می شود.
میدان مغناطیسی مربوط به مغناطیس نمی تواند در ابررسانا یا مغناطیس نفوذ نماید. در عوض ، آن جریانی را در ابررسانای مقاومت صفر القا می کند که یک تصویر آیینه ای از میدان مغناطیسی مغناطیس، ایجاد می نماید.
به خاطر اینکه این دو میدان با هم جفت می گردند، معلق شدن پایدار حاصل می شود.
تا زمانی که ماده به اندازه کافی خنک بماند تا ابررسانایی وجود داشته باشد، مغناطیس معلق باقی خواهد ماند. این پاسخ مغناطیسی فوق هادی ها به اثر میزنر(Meissner Effect) شهرت داشته و در حقیقت مبنای اثر لنز نیز همین است.
اثر میزنر یک وسیله سریع و قطعی برای تعیین اینکه یک ماده یا قسمتی از یک ماده ابررسانا هست یا خیر، می باشد.

این دو اثر، یعنی هدایت مطلق و ضد آهنربایی از مشخصات بارز ابررسانایی هستند.

گردآورنده و تنظیم کننده: s.kh in WWW. negarclubs.ir


امیدوارم این تاپیک رو در جای درست گذاشته باشم. اگه اشتباه شده عذر می خوام و از مدیر این قسمت و یا شورای نظارت خواهشمندم که به یک مکان مناسب منتقل نمایند.
باز هم معذرت..
خب تازه واردم دیگه...
ببخشید

 

[s.kh65]

کاربردهای مختلف ابررساناها:


کل فروش مواد ابررسانا در سال 1986 بالغ بر حدود 20 میلیون دلار برآورد شده است. بیشتر این مربوط به سیم و نوار از جنس NbTi یا Nb3Sn مورد استفاده برای مغناطیس ها بوده است.
کاریردهای دیگر عبارت است از اسکوئیدها ( وسایل تزاحمی کوانتومی) و پوشش و غلاف های حفاظتی می باشد. کاربردهای دما پایین با خنک کاری در هلیوم شامل وسایل الکترونیکی با محل اتصال Josephson ، مغناطیس سنج ها، دستگاه های اندازه گیری و کنترل، تصادم کننده های ابررسانا، جداسازی مغناطیسی، ذوب محدود مغناطیسی، پرتاب کننده های ( لانچرهای) مغناطیسی و هیدرولیک های مغناطیسی می باشد.

از ابررسانایی می توان در ساخت آهن رباهای ویژه طیف سنج های رزونانس مغناطیسی هسته و عکسبرداری تشدید مغناطیسی هسته و تشخیص طبی استفاده نمود و همچنین چون با حجم کم جریان های بالا را حمل می کنند می توان از آنها در ساخت موتورهای الکتریکی ( ژنراتورها-کابلها) استفاده نمود که حجمشان 4 تا 6 برابر کوچکتر از موتورهای فضا پیمای امروزی هستند.
می توان از آهنرباهای ابررسانا در ساختمان ژیروسکوپ برای هدایت فضاپیما استفاده نمود.

همچنین از ابررساناها می توان در ساخت قطارهای شناور استفاده نمود. مانند قطار سریع السیر ژاپنی که در سال 2000 میلادی ساخته شد و با سرعت 581km/h حرکت می کرد(ترن شناور).

(بزارید بیشتر توضیح بدم: همان طور که در بالا بیان شد یکی از خصوصیات بارز ابررساناها این است که میدان مغناطیسی در آن نفوذ نمی کند. با کمک این خاصیت و به کار گیری آن در ساخت ترن، به طوری که مواد خنک کننده برای رساندن دما به زیر دمای ابررسانایی تعبیه گردیده و مثلا در قسمت ریل ماده ابررسانا و در قسمتی از ترن که روی ریل قرار می گیرد مغناطیس تعبیه گردد. بدین ترتیب ترن با تمام عظمت و بزرگی اش در قسمت بالای ریل شناور شده و عبور جریان تنظیم شده ای از داخل ابررسانا هدایت می گردد).

ابررساناهای جدید سرامیکی دما بالا ( هرچه دمای ابررسانایی بالاتر باشد مطلوب تر است چرا که دردسر کاهش دمای بسیار پایین کم می شود) امیدها برای کاهش هزینه کاربردهای ذکر شده قبلی و برای کاربردهای اضافی دیگر نظیر آنتنها، وسایل میکروویو، موتورها، حفاظت کننده های مغناطیسی، انتقال برق، ذخیره انرژی و اتصالات داخلی برای کامپیوترها را افزایش داده است.

گردآورنده: s.kh in negarclubs.ir

 

[s.kh65]

قدرت ابررسانایی:


ابررسانایی بسیار ناپایدار است و این حالت به راحتی از بین می رود. ابررسانایی تحت تاثیر دو عامل جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی خراب می شود.

فوق هادی ها تنها در حدی قادر به تحمل جریان الکتریکی یا مغناطیسی هستند که مشخصات منحصر به فرد خودشان را از دست ندهند.
بدین ترتیب می توان گفت تا وقتی که از مرز جریان بحرانی و میدان بحرانی نگذرند، خاصیت خود را حفظ می کنند.
شاید به نظر برسد چون مقاومت فوق هادیها صفر است، لذا هر جریانی می تواند از آن بگذرد، ولی عملا این طور نیست و برای سیم های فوق هادی مانند سیم های معمولی یک حداکثر چگالی جریان معینی وجود دارد که چگالی جریان عبوری بیشتر از آن نباید شود( چگالی جریان: مقدار جریانی که از سطح مقطع معین از سیم عبور می کند). ولی مزیت فوق هادی نسبت به سیم های معمولی در این است که:
اولا عبور جریان به علت عدم وجود مقاومت هیچ حرارتی تولید نمی کند
ثانیا حد جریان به مراتب بزرگتر از بیشترین جریانی است که از سیم معمولی می گذرد.

با توجه به مطالب بالا حتی برای فوق هادیها هم حداکثر جریان قابل انتقال وجود دارد ولی فرآیند تخریب سیم متفاوت است و سیم به تدریج گرم نمی شود تا کارایی خود را از دست دهد بلکه ابررسانایی ناگهان از بین می رود.

جریانی که در آن این پدیده اتفاق می افتد، جریان بحرانی نام دارد و میدانی که متناسب با این جریان در اطراف سیم ایجاد می گردد، میدان بحرانی نامیده می شود.
حال اگر میدان مغناطیسی قویتر از میدان بحرانی به ابررسانا اعمال کنیم، میدان ابررسانا قادر به دفع میدان اعمالی نبوده و میدان اعمالی ناگهان به درون ابررسانا نفوذ کرده و با تغییر میدان مغناطیسی درون ابررسانا، ابررسانایی را تخریب می کند.
جریان بحرانی در دماهای مختلف متفاوت است و با تغییر دما جریان بحرانی نیز تغییر خواهد نمود.

هر چه دما از دمای بحرانی کمتر باشد، مقدار جریان بحرانی بیشتر و در نزدیکی دمای بحرانی مقدار آن کمتر خواهد بود.
در حقیقت در دمای بحرانی برای تمامی فوق هادیها ، جریان بحرانی بسیار اندک است و در نتیجه میدان بحرانی هم ناچیز است.
زمانی که تا نصف دمای بحرانی پایین رویم، جریان بحرانی، میدان بحرانی و تعدادی از دیگر خواص ابررسانایی تقریبا به حداکثر ممکن می رسد. به عبارت دیگر در این دما ابررسانایی به حداکثر ممکن خواهد رسید.

گردآورنده: s.kh in negarclubs.ir

 

[s.kh65]

مکانیزم ابررسانایی:


در سال 1972، یک تئوری ارائه گردید که دربردارنده ی جنبه های اصلی ابررسانایی مواد مورد بررسی تا آن زمان برشمرده می شد.
این تئوری توسط John Leon Cooper, Bardeen, J.Robert Schieffer کشف گردید و تحت نام تئوری BCS نامیده می شود. آنها جایزه نوبل فیزیک را در سال 1972 برای این تئوری به خود اختصاص دادند.

در یک بیان ساده، زمانیکه ارتعاشات حرارتی به اندازه کافی پایین باشد، الکترونها با یکدیگر به صورت زوج هایی در می آیند که قادر خواهند بود در میان ماده تحت اعمال یک میدان الکتریکی، بدون اینکه واکنش و تاثیر متقابل داشته باشند یا به الکترونها و یا به اتم ها برخورد نمایند، حرکت کنند. این زوج ها همگی در یک فاز با سایر زوج ها حرکت می نمایند.

تفاوت ما بین هدایت عادی و ابررسانایی می تواند با یک جمعیت از افراد شبیه سازی گردد. اگر هیچگونه نظمی وجود نداشته باشد و اگر هر فرد در جمعیت به صورت منفرد حرکت نماید، با در نظر گرفتن حرکت تصادفی، حرکت های کلی جمعیت خیلی آهسته خواهد بود.
این مورد می تواند با هدایت عادی مورد قیاس قرار گیرد. با این وجود، اگر جمعیت سازمان یافته باشد و کلیه افراد در حرکت پله ای در یک جهت خاص حرکت کنند، حرکت های کلی جمعیت ( برآیند های حرکت) بصورت روان و سریع می باشد. این حالت با ابررسانایی مورد قیاس قرار می گیرد.
همان طور که اشاره شد الکترونها در درون یک ابررسانا به نحوی با یکدیگر ارتباط دارند. آنها مایل به رفتاری هماهنگ می باشند. حال سوال این است که چه چیزی این الکترونها را به هم مرتبط می کند.

ارتباط الکترونها به یکدیگر نیاز به یک فرآیند به خصوص دارد، زیرا آنها ذراتی با بار منفی هستند و طبیعت آنها اقتضا می کند که یکدیگر را دفع کنند.
در یک ابررسانا، یک الکترون از نزدیکی یونها می گذرد و در این فرآیند به نحوی عمل می کند که بخشی از اندازه حرکتش را به شبکه منتقل می کند . چنین انتقال اندازه حرکت، اثر فیزیکی جابجایی شبکه را به دنبال دارد، به نحوی که تعدادی از بارهای مثبت محلی را متمرکز می کند. الکترون دوم، اثر این هم سویی یونها را احساس کرده و به سوی این بار مثبت تشدید شده کشیده می شود. وضعیتش به نحوی تغییر می کند که اندازه حرکتی را که توسط الکترون اول داده شده بود، بر می دارد.
این فرآیند دو مرحله ای باعث جاذبه ی اندک بین دو الکترون می گردد.

نظریه BCS این فرآیند را جدی تر گرفته و نشان می دهد که چنین جاذبه ای می تواند بر نیروی دافعه بین الکترونها غلبه کرده و حالتی مقید را که به عنوان جفت کوپر معروف است را تولید کند. چنین جفت هایی آنقدر ضعیف به یکدیگر پیوسته اند که پی در پی شکسته و با شریک های دیگر ترکیب می گردند.
در واقع هر جفتی یک ناحیه بزرگ فضایی را اشغال می کند. ناحیه ای که شامل تعداد بسیار دیگری الکترون است که می توانند در فرآیند جفتیدگی شرکت نمایند. اگر بیشترین تعداد الکترون در فرآیند جفتیدگی شرکت نمایند، سیستم به قویترین پیوستگی دست خواهد یافت( کمترین انرژی را خواهد داشت ). با صرفه ترین رخداد آن است که تمام جفت ها دارای اندازه حرکت مشابه و صفر باشند.

به طور خلاصه ایده اصلی تئوری BCS این است که در زیر دمای بحرانی ، واکنش های الکترون - الکترون ناشی از تبادل الکترونهای بین دو الکترون با اسپین ها و ممانهای مختلف یک زوج الکترون ( زوج الکترون کوپر ) را ایجاد نمایند که برآیند اسپین خالص آنها صفر است.
تحت یک میدان الکتریکی، این زوج ها به صورت هم فاز با سایر زوج ها، بدون اینکه تداخلی رخ دهد حرکت می کنند. بنابراین مقاومت ویژه صفر در این حالت حاصل می شود.

تئوری BCS در توجیه بسیاری از جنبه های ابررسانایی در ابررساناهای متداول نظیر NbTi, Nb3Sn, V3Ga که برای اکثر کاربردهای ابررسانایی امروزی بکار می روند، موفق بوده است. با وجود این، کاربرد آن برای ابررساناهای دما بالا( ابررساناهایی که دمای انتقال به حالت ابررسانایی آنها بالاتر از 95 درجه کلوین است) مورد پرسش است.

گردآورنده: s.kh in negarclubs.ir

 

[MohsenFatemi]

با عرض سلام و احترام
پايگاه ابررساناي ايران درحال راه اندازي مي باشد لطفا" با بازديد از سايت و مراجعه به قسمت نظرسنجي با بيان نظرات خود درباره نحوه كار سايت به ما كمك كنيد!
باتشكر
http://superconductors.ir

 

[MohsenFatemi]

کتاب ابررساناهای دمای بالا:
http://superconductors.ir/bookid1