ابر رسانا

0
5151
رسانایى خاصیتى از مواد است که باعث انتقال انرژى الکتریکى در آنها مى شود. این خاصیت در مواد مختلف، یکسان نیست. طلا و نقره رسانا هاى خیلى خوبى هستند در حالى که شیشه یا پلاستیک اصلاً رسانا نیستند. مانعى در برابر رسانش الکتریکى است که مقاومت نامیده مى شود. تغییرات جزیى ترمودینامیکى و الکترو مغناطیسى، روى آن تاثیر مى گذارد.بشر همواره مى خواسته که راه هاى تولید انرژى را ارزان تر کند و یکى از بهترین گزینه ها براى کم کردن هزینه کشف موادى است که مقاومت کمترى دارند. اما در بعضى از مواد وقتى که به یک دماى خاص برسیم، تغییرى در حالت ماده به وجود مى آید که به آن ابررسانایى مى گویند. در این حالت مقاومت الکتریکى از بین مى رود به طورى که جریانى که در یک حلقه ابررسانا تولید مى شود تا صد هزار سال بدون تغییر باقى مى ماند!
پژوهش برای بررسی تغییر مقاومت الکتریکی اجسام در دماهای پائین برای نخستین بار توسط دانشمند اسکاتلندی جیمز دئِور در اواسط قرن نوزدهم آغاز شد. در سال ۱۸۶۴، دو دانشمند لهستانی به نامهای زیگموند روبلوفسکی و کارل اولزفسکی که روشی برای برای مایع ساختن اکسیژن و نیتروژن، یافته بودند، به بررسی خواص فیزیکی عناصر و ازجمله مقاومت الکتریکی در دماهای خیلی کم ادامه دادند و پیش‌بینی نمودند مقاومت الکتریکی در دماهای کم به شدت کاهش می‌یابد. روبلوفسکی و اولزفسکی نتایج فعالیت خود را در سال ۱۸۸۰ منتشر ساختند. بعد از آن دِئور و فلمینگ نیز پیش‌بینی ‌خود را مبنی بر الکترومغناطیس شدن کامل فلزات خالص در دمای صفر مطلق بیان داشتند. البته دئور بعدها تئوری خود را اصلاح و اعلام داشت مقاومت اینگونه فلزات در دمای مورد اشاره به صفر نمی‌رسد اما مقدار بسیار کمی خواهد بود. والتر نرست نیز با بیان قانون سوم ترمودینامیک بیان داشت که صفر مطلق دست‌نیافتنی است. کارل لیند و ویلیام همپسون آلمانی در همین زمانها روش خنک‌سازی و مایع ساختن گازها با افزایش فشار را به ثبت رساندند.
در سال ۱۹۰۰، نیکلا تسلا که با سیستم خنک‌سازی لیند کار می‌کرد، پدیده تقویت سیگنالهای الکتریکی را با سرد شدن اجسام که درنتیجه کاهش مقاومت آنها بود، مشاهده و به ثبت رساند. سرانجام خاصیت ابررسانایی توسط پروفسور هلندی، کمرلینک اونز، در سال ۱۹۱۱ و زمانی‌که وی سرگرم آزمایش تئوری دئور بود، در دانشگاه لیدن مشاهده شد. اونز دریافت که اگر جیوه در هلیم مایع یعنی حدود ۲/۴ درجه کلوین قرار گیرد، مقاومت الکتریکی آن از بین می‌رود. سپس یک حلقه سربی را در دمای ۷ درجه کلوین ابررسانا نمود و قوانین فارادی را بر روی آن آزمایش کرد و مشاهده نمود وقتی با تغییر شار در حلقه جریان القایی تولید شود، حلقه سربی بر عکس رساناهای دیگر رفتار می‌نماید. یعنی بعد از قطع میدان تا زمانی‌که در حالت ابر رسانایی قرار دارد، جریان الکتریکی را تا مدت زیادی حفظ می‌کند. به عبارت دیگر بعد از به وجود آمدن جریان الکتریکی ناشی از میدان مغناطیسی در یک سیم ابررسانا، سیم حتی بدون میدان خارجی یا مولد الکتریکی نیز می‌تواند حامل جریان باشد. اونز این رخداد را در آزمایشگاه دانشگاه لیدن با ایجاد جریان ابررسانایی در یک سیم‌پیچ و سپس حمل سیم‌پیچ همراه با سرد کننده‌ای که آن را سرد نگه می‌داشت به دانشگاه کمبریج به عموم نشان داد. یافته اونز منجر به اعطای جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۹۱۳ به وی شد.
اونز همچنین متوجه شد برای هر یک از مواد ابررسانا، دمایی به نام دمای بحرانی وجود دارد که وقتی ماده از این دما سردتر شود، جسم ابررسانا می‌گردد و در دماهای بالاتر از این دما، جسم دارای مقاومت الکتریکی است. دمای بحرانی عناصر مختلف متفاوت است. مثلا" دمای بحرانی جیوه حدود ۵ درجه کلوین، سرب ۹ درجه کلوین و نیوبیوم ۲/۹ درجه کلوین می‌باشد و برای بعضی آلیاژها و ترکیبات مانند Nb3Sn و Nb3Ge دمای بحرانی به ۱۸ و ۲۳ درجه کلوین نیز می‌رسد. البته فلزات رسانایی مانند طلا، نقره و حتی مس نیز هستند که تلاش برای رساندن مقاومت ویژه‌شان به صفر بی نتیجه مانده است و مشخص نیست اگر به صفر مطلق برسند مقاومت آنها چقدر خواهد بود. رسانیدن دمای ابررساناهای متعارف به این دما نیازمند وجود هلیم مایع می‌باشد که بسیار پرهزینه، خطرناک و مشکل است. لذا از همان ابتدا تلاش برای تولید ابررساناهایی با دمای بحرانی بالاتر شروع شد و محققان در تلاشند مواد ابررسانایی با دمای بحرانی بالاتر پیدا کنند.
از کشف ابررسانایی در سال ۱۹۱۱ تاکنون، هیچ نظریه فیزیکی جامعی نتوانسته است به بیان دقیق علت خاصیت ابررسانایی بپردازد. در سال ۱۹۵۷ سه فیزیکدان آمریکایی به نام‌های باردین، کوپر و شریفر در دانشگاه ایلی‌نویز نظریه‌ای برای توجیه پدیده ابررسانایی در ابررساناهای متعارف ارائه دادند که با نام آنها به نظریه BCS معروف گردید. براساس این نظریه در ابررساناهای معمولی، الکترونهایی که در رسانایی جریان نقش دارند، جفت‌هایی تشکیل می‌دهند و متقابلاً با عواملی که باعث مقاومت الکتریکی می‌شوند، مقابله می‌کنند. ابداع تئوری BCS نیز برای سه دانشمند آمریکایی جایزه توبل ۱۹۷۲ را به ارمغان آورد. این‌که ۴۶ سال طول کشید تا توجیهی برای پدیده ابررسانایی یافت شود، دلایلی داشت. دلیل اول این‌که جامعه فیزیک تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه راه حل مسئله را که تئوری کوانتوم فلزات معمولی بود نداشت. دوم این‌که تا سال۱۹۳۴ هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد. سوم اینکه وقتی مبانی علمی لازم بدست آمد، به زودی مشخص شد انرژی مشخصه وابسته به تشکیل ابررسانایی بسیار کوچک یعنی حدود یک ملیونیم انرژی الکتریکی مشخصه حالت عادی است. بنابراین نظریه پردازان توجه‌شان را به توسعه یک تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب کردند. این مسیر توسط فریتز لاندن رهبری می‌شد. وی در سال ۱۹۵۳ به نکته زیر اشاره کرد:‌ "ابررسانایی پدیده‌ای کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی است و با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریک شده بوسیله وقفه های زمانی رخ می‌دهد." به علاوه وی بیان داشت که دیامغناطیس شدن ابررساناها یک مشخصه بنیادی است. تئوری BCS در توضیح و تفسیر رویدادهای ابررسانایی موجود و هم چنین در پیشگویی رویدادهای جدید نسبتاً موفق بود. در ژوئیه ۱۹۵۹، در اولین کنفرانس بزرگی که بعد از ارائه ی نظریه ی BCS با موضوع با ابررسانایی در دانشگاه کمبریج برگزار شد، دیوید شوئنبرگ کنفرانس را با این جمله آغاز کرد: «حالا باید ببینیم تا چه حد مشاهدات با حقایق نظری جور در می‌آیند …؟»
کمی بعد از انتشار نتایج اولیه تئوری BCS ، در تابستان سال ۱۹۵۷ سه دانشمند دانمارکی به نامهای آگ بور، بن موتلسون و دیوید پاینز، در کپنهاگ نشان دادند که نوترونها و پروتونهای موجود در هسته اتم به خاطر جذب دوسویه شان جفت می‌شوند و بدینوسیله توانستند معمای قدیمی پدیده هسته‌ای را توجیه نمایند. در همین زمان یوشیرو نامبو نیز در شیکاگو دریافت که ترتیب جفت شدن BCS برای پدیده‌های انرژی بالا در فیزیک ذرات ابتدائی نیز صحت دارد. باید گفت در اثر ارائه تئوری BCS بود که پژوهشگران فلزات ابررسانی جدیدی را معرفی کردند و مشتاقانه به دنبال موادی گشتند که در دماهای نسبتاً بالاتر از ۲۰ کلوین ابررسانا می‌شوند. بعد از ارائه تئوری BCS، دو آلیاژ جدید نیز معرفی شدند. یکی مواد الکترون سنگین مانندCeCu2Si2، UPt3 و UBe13 که به عنوان ابررساناهایی در دماهای حدود یک کلوین توسط فرانک استگلیش در آلمان و زاچاری فیسک، جیم اسمیت و هانس اوت در آمریکا شناخته شدند و دیگری فلزات آلی تقریبا دو بعدی با دمای بحرانی حدود ده درجه کلوین که در پاریس توسط دانیل ژرومه کشف شد. با وجود تلاش‌های زیاد بند ماتیوس که حدود صد ماده ابررسانا را کشف کرد، هنوز حد بالایی برای دمای مواد ابررسانا وجود داشت. دمایی که از مکانیسم به کار رفته برای ابررسانایی یعنی تعامل فونون القائی ناشی می‌شد. چنانکه نور کوانتومی را فوتون می‌نامند، اصوات کوانتومی را نیز فونون نامیده‌اند.
در سال ۱۹۶۲ جوزفسون انگلیسی در ۲۲ سالگی آزمایشاتی روی جفت الکترونهای کوپر انجام داد که منجر به مشاهده و اعلام پدیده‌ای شد که خاصیت تونل‌زنی یا اثر جوزفسون نام گرفت. بر اساس اثر جوزفسون، درصورتیکه دو قطعه ابررسانا توسط یک عایق بسیار نازک (حدود یک نانومتر) به یکدیگر متصل شوند، جفت الکترونهای کوپر می‌توانند از عایق عبور نمایند. مقدار جریان الکتریکی ایجاد شده به ولتاژ اتصال و میدان مغناطیسی وابسته است. ارائه تئوری مزبور برای جوزفسون و دو دانشمند دیگر یعنی لئو ایزاکی و ایوار گیاور که فعالیتهای مشابهی در بررسی پدیده تونل زنی داشتند جایزه نوبل ۱۹۷۳ را به ارمغان آورد.
حدود ۷۰ سال پیشرفتهای انجام شده برای افزایش دمای بحرانی به کندی انجام گرفت. از سال ۱۹۱۱ تا سال ۱۹۷۳ یعنی حدود ۶۲ سال دانشمندان تنها توانستند دمای بحرانی را از ۴ درجه به ۳/۲۳ درجه کلوین که کمی بیشتر ۳/۲۰ کلوین یعنی دمای ئیدروژن مایع است برسانند اما کار با ئیدروژن مایع نیز پرهزینه، مشکل‌آفرین و خطرساز بود و کاربردهای ابررسانا را محدود می‌ساخت. در سالهای بعد علاوه بر فلزات و آلیاژهای فلزی، فعالیتهایی در زمینه ترکیبات نیمه‌فلزی توسط برخی دانشمندان آغاز شد اما هنوز ماده‌ای دیگری به جز فلزات و آلیاژها یافته نشده بود که بتواند در دماهای مورد انتظار ابررسانا باشد. سرانجام در ۲۷ ژانویه سال ۱۹۸۶ جرج بدنورز و آلکس مولر در مؤسسه تحقیقاتی IBM شهر زوریخ سوئیس موفق به کشف پدیده ابررسانایی در سرامیکی از نوع اکسید مس و شامل لانتانوم و باریوم شدند. دمای بحرانی نمونه ساخته شده، حدود ۳۵ درجه کلوین بود و آنها نیز به خاطر کشف ابررساناهای دمابالا (HTS) موفق به دریافت جایزه نوبل در سال ۱۹۸۷ شدند. طی مدت زمان کوتاهی پس از کشف ابررسانایی دما بالا، دسترسی به دماهای بحرانی بالاتر به سرعت توسعه یافت. یک ماه بعد از کشف بدنورز و مولر، تاناکا و همکاران وی در توکیو نتایج آنها را تأیید نمودند و نتایج فعالیت آنها در یکی از نشریات ژاپنی به چاپ رسید. اندکی بعد از کشف اکسید مس حاوی باریوم و لانتانوم، در نتیجه همکاری پاول چو از دانشگاه هوستون و مانگ کنگ وو از دانشگاه آلاباما، عضو جدیدی از خانواده مواد ابررساناهای دما بالا با جایگزینی ایتریوم Y به جای لانتانوم کشف شد. این ماده سرامیکی که دمای بحرانی آن به ۹۲ درجه کلوین می‌رسید، به YBCO معروف شد. با توجه به نقطه جوش نیتروژن که ۷۷ درجه کلوین در فشار یک اتمسفر است، برای سرد شدن این ابررسانا تا دمای بحرانی استفاده از نیتروژن مایع هم امکانپذیر بود که بسیار ارزان‌تر و بی‌خطرتر از ئیدروژن و هلیم مایع بود. بنابراین فقط در طی یک سال از کشف اصلی، دمای انتقال به حالت ابررسانایی افزایش سه برابر داشت و واضح بود که انقلاب ابررساناها شروع شده است. برای پاسداشت تحول مهمی که در علم فیزیک واقع شده بود، توسط انجمن فیزیکدانان آمریکایی در بعدازظهر یکی از روزهای مارس ۱۹۸۷ جشنی هم در نیویورک برگزار شد. این جشن ۳۰۰۰ شرکت کننده داشت و حدود ۳۰۰۰ نفر نیز این جشن را از طریق تلویزیون مدار بسته در خارج از محل اصلی تماشا کردند. در طول شش سال بعد، چند خانواده دیگر از ابررساناها کشف شدند که شامل ترکیبات شامل تولیوم (Tl) و جیوه (Hg) بوده و دارای حداکثر دمای بحرانی بیشتر از ۱۲۰ درجه کلوین بودند. بالاترین مقدار تأیید شده دمای بحرانی در فشار معمولی یک اتمسفر، ۱۳۵ درجه کلوین و متعلق به HgBa2Ca2Cu3O8 می‌باشد. به صورت تجربی معلوم شده است اگر ماده ابررسانا به صورت مکانیکی تحت فشار قرار گیرد، دمای بحرانی ابررسانا کمی تغییر می‌کند. در سال ۱۹۹۳، دمای بحرانی ۱۶۵ درجه کلوین (۱۰۸- درجه سانتیگراد) نیز در ترکیبی از اکسید مس و جیوه و البته تحت فشارهای خیلی بالا گزارش شد. همگی ابررساناهای مورد اشاره یک ویژگی مشترک داشتند. وجود سطوح تراز شامل اتمهای اکسیژن و مس که با مواد حامل بار برای سطوح تراز از یکدیگر جدا می‌شوند. با توجه به کاربردهای مختلف ابررساناها، بسیاری از تلاشها بر افزایش دمای عملکرد ابررساناها تا دستیابی به دمای اتاق متمرکز شده است.
هر چند دمای بحرانی ترکیبات جدید سرامیکی در حد قابل توجهی از دمای بحرانی مواد ابررسانای متعارف (فلزات و آلیاژها) بزرگتر است، به دلیل خصوصیات فیزیکی این مواد مانند شکنندگی و پایین بودن چگالی و جریان بحرانی کاربردهای این مواد هنوز در مرحله‌ی تحقیق است. اخیراً سعید سلطانیان به همراه یک گروه علمی به سرپرستی پروفسور شی زو دو در دانشگاه ولونگونگ استرالیا ابررسانایی ساخته‌اند که بالاترین رکورد را از نظر خواص مکانیکی در میان ابررسانا دارد. این ابررسانا به شکل سیم یا نواری از جنس دی برید منیزیم (MgB2) با پوششی از آهن است و امکان انعطاف برای ساخت تجهیزات مختلف الکتریکی را داراست.
امروزه گروه هاى مختلفى از سرتاسر جهان به دنبال این هستند که بالاخره ماده اى را کشف کنند که بتواند در دماى معمولى (۳۰۰ کلوین) هم از خود خاصیت ابررسانایى نشان دهد.همان طور که از ظاهر امر برمى آید، خاصیت ابررسانایى در سرامیک ها و فلزات، سرشتى متفاوت دارند. سرامیک ها، نارسانا هستند و سپس به ابررسانا تبدیل مى شوند. در حالى که فلزات رسانا هستند و ناگهان مقاومت در آنها صفر مى شود. دماى گذار به ابررسانایى هم در فلزات بسیار پایین تر از سرامیک ها است. به این ترتیب نظریه BCS دیگر قادر به توضیح ماهیت ابررسانایى در سرامیک ها یا ابررسانا هاى دماى بالا (High TC) نیستند. دانشمندان تاکنون نظریه اى رضایت بخش براى توضیح این پدیده نیافته اند و این مسئله یکى از مهم ترین مسائل حل نشده تاریخ فیزیک است.
ابررساناهای جدید عموماً سرامیکی و اکسیدهای فلزی ورقه ورقه هستند که در دمای اتاق مواد نسبتاً بی‌ارزشی محسوب می‌شوند و البته کاربردهای متفاوتی نیز دارند. اکسیدهای فلزی ابررسانا در مقایسه با فلزات شامل کمی حامل بار معمولی هستند و داری خواص انیسوتوروپیک الکتریکی و مغناطیسی می‌باشند. این خواص به نحو قابل ملاحظه‌ای حساس به محتوای اکسیژن می‌باشند. نمونه‌های ابررسانای موادی مانند YBa2Cu3O7 را یک دانش‌آموز دبیرستانی نیز می‌تواند در یک اجاق میکروویو تولید کند اما برای تشخیص خواص فیزیکی ذاتی، کریستالهای یکتایی با درجه خلوص بالا مورد نیاز است که فرآیند ساخت پیچیده‌ای دارند.
بعد از کشف ابررساناها، تا چند سال تصور می‌شد رفتار مغناطیسی ابررسانا مانند رساناهای کامل است. اما در سال ۱۹۳۳ مایسنر و اوشنفلد دریافتند اگر ماده مورد آزمایش قبل از ابررسانا شدن در میدان مغناطیسی باشد، شار از آن عبور می‌کند ولی وقتی در حضور میدان به دمای بحرانی برسد و ابررسانا گردد دیگر هیچ‌گونه شار مغناطیسی از آن عبور نخواهد کرد و تبدیل به یک دیامغناطیس کامل می‌شود که شدت میدان (B) درون آن صفر خواهد بود. آنها توزیع شار در خارج نمونه‌های قلع و سرب را که در میدان مغناطیسی تا زیر دمای گذار سرد شده بودند را اندازه­گیری و مشاهده کردند که ابررسانا دیامغناطیس کامل گردید و تمام شار به بیرون رانده شد. این آزمایش نشان داد که ماده ابررسانا چیزی بیشتر از ماده رسانای کامل است. براساس ویژگی مهم ابررساناها، فلزات در حالت ابررسانایی هرگز اجازه نمی‌دهند که چگالی شار مغناطیسی در درون آنها وجود داشته باشد. به عبارت دیگر در داخل ابررسانا همیشه B=0 است. این پدیده به اثر مایسنر معروف شد.
در اثر پدیده مایسنر اگر یک آهنربا روی ماده ابررسانا قرار گیرد، روی آن شناور می‌ماند. در شکل یک آهنربای استوانه‌ای روی یک قطعه ابررسانا که توسط نیتروژن خنک شده شناور است. علت شناور ماندن، اثر مایسنر است که براساس آن خطوط میدان مغناطیسی امکان عبور از ابررسانا را نیافته و چنانکه مشاهده می‌شود، ابررسانا قرص مغناطیسی را شناور نگه می‌دارد.

پس از کشف دیامغناطیس بودن ابررساناها، در سال ۱۹۵۰ آلیاژهای ابررسانایی مانند سرب+بیسموت و سرب+تیتانیوم کشف شدند که میدانهای بحرانی خیلی بالایی از خود نشان می‌دادند. پژوهشهای بعدی نشان داد که این مواد نوع متفاوتی از ابررساناها هستند که بعداً نوع II نامیده شدند. لاندن با استفاده از موازنه انرژی در محدوده کوچکی بین مرز فازهای ابررسانا و نرمال، شرط تعادل فاز را به دست آورده و به حضور یک سطح انرژی دیگر با منشأ غیرمغناطیسی اشاره کرد که علاوه بر انرژی مرز بین دو فاز ابررسانا و نرمال وجود داشت. وی متذکر شد که اگر سطح انرژی کل مثبت باشد ابررسانایی ازنوع اول و اگر منفی باشد از نوع دوم است که در این صورت میدان مغناطیسی به درون ابررسانا نفوذ می‌کند. در سال ۲۰۰۳ نیز آلکسی آبریکوزوف و ویتالی گینزبورگ به خاطر بسط تئوری ابررسانایی همراه با آنتونی لگت برنده جایزه نوبل فیزیک شدند.
به تازگی هم پژوهشگران فرانسوی خاصیت جدیدی را در ابررساناها پیدا کرده‌اند که قبلاً در هیچ نظریه‌ای پیش‌بینی نشده بود. چنانکه اشاره شد خواص ابررسانایی در مواد، به دمای محیط، میدان مغناطیسی و شدت جریان عبوری بستگی دارد. محققان فرانسوی بلوری ساخته‌ بودند که در دمای ۰٫۰۴ درجه کلوین ابررسانا می‌شد و وقتی شدت میدان مغناطیسی به بیشتر از ۲ تسلا می‌رسید، این خاصیت از بین می‌رفت. یکی از پژوهشگران این گروه، از روی کنجکاوی، شدت میدان مغناطیسی را باز هم بیشتر کرد. وقتی شدت میدان به ۱۲ تسلا رسید، بلور دوباره ابررسانا شد. وقتی میدان باز هم بالاتر رفت، این خاصیت دوباره از بین رفت. این گزارش که اخیراً در نشریه علمی ساینس به چاپ رسیده، توجه بسیاری از فیزیکدانان حالت جامد را برانگیخته است چرا که هیچ توضیح خاصی برای این پدیده وجود ندارد. با توجه به موارد گفته شده، به نظر می‌رسد که میدان مغناطیسی متغیر باعث ایجاد رفتارهای جالب پیش‌بینی نشده در ابررساناها می‌شود. البته باید توجه داشت که ابررسانایی یک خاصیت کاملاً کوانتمی است و به سادگی نمی‌توان وضعیت پیش آمده در این آزمایش را توصیف کرد.

مهمترین خواص ابررساناها
درمورد مهمترین خواص ابررساناها می‌توان به موارد ذیل اشاره داشت.

۱٫ مقاومت ناچیز در مقابل عبور جریان مستقیم و توانایی عبور چگالی جریان بالا: امروزه صرفه‌جویی در مصرف انرژی، یکی از مهم‌ترین نیازهای کشورهای صنعتی است. بودجه‌های زیادی صرف تحقیقات در زمینه کشف راه‌های تازه و موثرتر برای یافتن انرژی‌های ارزان‌ و با ریسک کمتر می‌شود. برپایه این پدیده، بارهای الکتریکی می‌توانند بدون تلفات گرمایی از یک رسانا عبور کنند. بنابراین ابررسانایی با نقشی که می‌تواند در زمینه صرفه جویی در تولید و انتقال انرژی الکتریکی بازی کند، در آینده بشر نقشی اساسی خواهد داشت و به همین دلیل در سالهای اخیر بیش از ده هزار پژوهشگر با صرف هزینه‌های زیاد، تحقیقات خود را روی موضوع ابررسانایی و کاربردهای آن در علوم مختلف متمرکز ساخته‌اند. با توجه به مقاومت تقریباٌ صفر، ابررساناها درشبکه‌های توزیع و انتقال و همچنین ماشینهای الکتریکی قابل استفاده هستند. این خاصیت باعث می‌شود که اگر جریانی در یک ابررسانا ایجاد شود، بدون کاهش قابل توجهی برای مدت طولانی برقرار بماند. همینطور شدت جریان عبوری از ابررسانا نیز به علت فقدان افت اهمی بسیار بالاست. برای مثال آلیاژ نیوبیوم و تیتانیوم که در درجه حرارت ۴/۴ کلوین به حالت ابررسانایی می‌رسد قادر به عبور جریان ۲۰۰۰ آمپر بر میلیمتر مربع در شدت میدان ۵ تسلا است. این چگالی صد بار بیشتر از چگالی جریان در سیمهای مسی معمولی است. البته در صورت افزایش چگالی جریان از حد معینی، ابررسانا در وضعیت مقاومتی قرار می‌گیرد و خصوصیت ابررسانایی را از دست خواهد داد. جریان یا چگالی جریانی که ابررسانا می‌تواند از خود عبور دهد و خاصیت ابررسانایی را از دست ندهد به جریان بحرانی یا چگالی جریان بحرانی معروف است.

۲٫ توانایی در تولید میدانهای مغناطیسی قوی: پدیده ابررسانایی در فن‌آوری‌های جدید از توانایی‌های گسترده‌ای برخوردار است. خواص ابررسانایی در مواد، علاوه بر دمای محیط و شدت جریان عبوری، به میدان مغناطیسی هم بستگی دارد. یعنی حتی اگر جسم در دمایی پایین‌تر از حد ابررسانایی باشد، وقتی میدان مغناطیسی از میزان مشخصی بیشتر باشد، خاصیت ابررسانایی از بین خواهد رفت. از این میدان‌ها می‌توان در قطارهای مغناطیسی استفاده کرد. شدت این میدانها برای آلیاژ نیوبیوم و تیتانیوم (NbTi) به حدود ۱۰ تسلا نیز می‌رسد. شدت میدان مغناطیسی در جهت از بین بردن خاصیت ابررسانایی عمل می‌کند. میدان بحرانی به شدت میدانی اشاره دارد که ابررسانا خاصیت خود را در آن شدت میدان از دست می‌دهد. برای توضیح خصوصیات مغناطیسی ابررسانا، فرض کنید که در غیاب هر گونه مغناطیسی ابتدا مقاومت ابررسانا با سرد شدن از بین برود و سپس میدان مغناطیسی به آن اعمال شود. به دلیل آنکه چگالی شار نمی‌تواند در داخل فلز تغییر کند، باید حتی بعد از اعمال میدان مغناطیسی نیز صفر باقی بماند. در واقع اعمال میدان مغناطیسی، جریانهای بدون مقاومتی را القا می‌کند که در سطح نمونه طوری گردش می‌کنند که چگالی شار مغناطیسی آنها در داخل نمونه دقیقاً برابر و در جهت مخالف چگالی شار میدان مغناطیسی اعمال شده باشد و از آنجایی که این جریانها از بین نمی‌روند، چگالی شار خالص در داخل نمونه صفر باقی می‌ماند.
سالهای بسیاری تصور می‌شد که تمام ابررساناها بر اساس اصول فیزیکی مشابهی رفتار می‌کنند. اما اکنون ثابت شده ابررساناها با توجه به رفتار فیزیکی، به دو گروه مختلف که به ابررساناهای نوع I وII معروفند باید دسته‌بندی شوند. بیشتر عناصر در شرایط ابررسانایی، رفتار ابررسانایی از نوع I را از خود نشان می‌دهند اما تعداد کمی از عناصر و بیشتر آلیاژها عموماً رفتار ابررسانایی از نوع II را بروز می‌دهند.

توجیه اختلاف بین ابررساناهای نوع Iو II مبتنی بر مسافت آزاد میانگین الکترونهای هدایتی در فاز نرمال است. مقاومت الکترونی در مواد ابررسانای نوع I یعنی آلیاژها و فلزات واسط در حالت عادی کوتاه است اما با افزودن مقداری از یک عنصر خاص، مسافت آزاد میانگین الکترونهای هدایتی افزایش یافته و ابررسانای نوع اول به ابررسانای نوع دوم تبدیل می‌شود. از نظر مغناطیسی، ابررساناهای نوع اول دارای دو محدوده و ابررساناهای نوع دوم دارای سه ناحیه برای فعالیت هستند.

۳٫ خاصیت تونل‌زنی: این مشخصه به این معنی است که اگر دو ابررسانا را خیلی به هم نزدیک کنیم، مقداری از جریان یکی به دیگری نشت می‌کند. در دو سر این پیوندگاه یا تونل هیچ ولتاژی وجود ندارد. یعنی میزان جریان نشتی به ولتاژ بستگی ندارد ولی به میدان مغناطیسی و تابش مغناطیسی حتی در مقادیر خیلی کوچک بشدت وابسته است.

• اندازه گیرى مقاومت ابررسانا
اونس براى اندازه گیرى مقاومت ابررسانا آزمایشى را به این صورت طرح کرد که ابتدا جریانى را در دو سر یک پیچه برقرار کرد و سپس آن را داخل یک ظرف هلیم مایع فرو برد تا به حالت ابررسانایى درآید. سپس دو سر پیچه را به هم وصل کرد تا اتصال کوتاه شود. سپس با قرار دادن یک قطب نما، هرگونه افت در میعان مغناطیسى تولید شده توسط جریان در پیچه را اندازه گرفت. چنین آزمایشى، چندین سال بعد در MIT (موسسه فناورى ماساچوست) در ابعاد بسیار بزرگ انجام شد و پس از مدت دو سال هیچ گونه افت جریانى مشاهده نشد. اما سرانجام اعتصاب صنفى کارگران بخش حمل و نقل در ایالت ماساچوست باعث شد که هلیم مایع به موقع به آزمایشگاه نرسد و آزمایش متوقف شود.

• کشفى ناامید کننده
کشف خاصیت ابررسانایى در نخستین مراحل، دانشمندان را مصمم به ساخت منبع لایزالى براى تولید انرژى کرد؛ یعنى ساخت سیم پیچ هایى عظیم از ابررسانا براى صرفه جویى در مصرف برق. اما این بار هم اونس بود که نشان داد زیاد شدن میدان مغناطیسى باعث از بین رفتن خاصیت ابررسانایى مى شود.در واقع هم دما و هم میدان مغناطیسى و هم شدت جریان الکتریکى عبورى در ایجاد خاصیت ابررسانایى در فلزات موثر است. اگر میدان مغناطیسى در محیط ایجاد شود، دماى ابررسانى پایین تر مى رود.

• تکنولوژى ابررسانا ها
در ارتباط با ابررسانا هاى جدید در دماى بالا تاکنون هیچ کاربرد تجارى در گستره دمایى که فعلاً کشف شده (زیر ۲۰۰ کلوین) به طور کامل به منصه ظهور نرسیده است. حتى در آزمایش هاى فضایى که در دمایى پایین تر از دماى گذار به ابررسانایى در این مواد انجام مى شود، پژوهشگران ترجیح مى دهند از همان ابررسانا هاى قبلى و در محیط هلیم مایع استفاده کنند تا به تمام جنبه هاى مسئله مسلط باشند. فورى ترین کاربرد براى ابررسانا هاى دماى بالا ساخت تراشه هاى فوق سریع است که انقلابى عظیم را در فناورى اطلاعات ایجاد خواهد کرد که با اختراع ترانزیستور ها قابل قیاس است. یکى از کاربرد هاى ابررسانا ها با توجه به حساسیت آنها به میدان مغناطیسى اکتشافات معدنى، زمین شناختى و حتى ردیابى زیردریایى ها است. ساخت قطار هایى که با استفاده از خاصیت ابررسانایى میدان مغناطیسى تولید مى کنند که آنها را بالاتر از سطح زمین و بدون هیچ گونه اصطکاک با ریل که موجب تلف کردن مقدار زیادى از انرژى مى شود، قطار را به حرکت درمى آورد، یکى از شناخته شده و معروف ترین کاربرد هاى ابررسانایى است. این قطار ها قادرند مسافت بیش از ۵۰۰ کیلومتر را در کمتر از یک ساعت بپیمایند. به کار بردن ابررسانا ها در خطوط انتقال نیرو حتى با احتساب کلیه هزینه هاى سرد نگه داشتن ابررسانا رقمى معادل ۷۰ تا ۸۰ درصد صرفه جویى در مصرف برق را نشان مى دهد که بسیار عظیم است.به کار بردن ابررسانا ها در وسایل تحقیقاتى (مثل شتاب دهنده ها) و وسایل پزشکى (مثل دستگاه MRI) از کاربرد هاى عادى ابررسانا ها شده است.به کار بردن ابررسانا هاى سرامیکى مزیت دیگرى هم دارند و آن این که براى سرد کردن آنها (با توجه به دماى بالاتر نسبت به ابررسانا هاى فلزى) به جاى هلیم مایع مى توان از نیتروژن مایع استفاده کرد که بسیار ارزان تر و فراوان تر است. یکى از مهم ترین مسائل فنى، تبدیل ابررساناى سرامیکى به هلیم است که باید حل شود و تا آن زمان چاره اى جز صبر نداریم.

 
منبع : شرق آنلاین 

دیدگاه خود را بیان کنید

لطفا پیام خود را وارد نمایید
لطفا نام خود را در این قسمت وارد نمایید