up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله ابر رسانايي PDF
QR code - ابر رسانايي

ابر رسانايي

رسانايي خاصيتي از مواد است که باعث انتقال انرژي الکتريکي در آنها مي شود. اين خاصيت در مواد مختلف، يکسان نيست. طلا و نقره رسانا هاي خيلي خوبي هستند در حالي که شيشه يا پلاستيک اصلاً رسانا نيستند. مانعي در برابر رسانش الکتريکي است که مقاومت ناميده مي شود. تغييرات جزيي ترموديناميکي و الکترو مغناطيسي، روي آن تاثير مي گذارد.بشر همواره مي خواسته که راه هاي توليد انرژي را ارزان تر کند و يکي از بهترين گزينه ها براي کم کردن هزينه کشف موادي است که مقاومت کمتري دارند. اما در بعضي از مواد وقتي که به يک دماي خاص برسيم، تغييري در حالت ماده به وجود مي آيد که به آن ابررسانايي مي گويند. در اين حالت مقاومت الکتريکي از بين مي رود به طوري که جرياني که در يک حلقه ابررسانا توليد مي شود تا صد هزار سال بدون تغيير باقي مي ماند!
● کشف ابر رساناها
نرنست فيزيکدان آلماني نشان داده بود که با کم شدن دما، مقاومت فلز بايد به تدريج کاهش يابد تا سرانجام در صفر مطلق به کلي ناپديد شود. يکي از خالص ترين فلزات در آن زمان جيوه بود. به همين دليل کامرلينگ اونس فيزيکدان هلندي به سراغ اندازه گيري مقاومت جيوه رفت. نتايجي که وي به دست آورد تا دماي ۴ کلوين طبيعي بود اما پايين تر از اين دما ناگهان مقاومت الکتريکي به حدي مي رسيد که با دستگاه هايي که تا آن روز وجود داشت، قابل اندازه گيري نبود. در سلسله مقالاتي که اونس تا سال ۱۹۱۳ در مورد اين پديده منتشر کرد، نام ابررسانايي را بر روي آن گذاشت. اين خاصيت توسط خود اونس در سرب و قلع نيز مشاهده شد. البته به نظر مي رسد که اونس اين کلمه را براي صرفه جويي در لغات به کاربرده در مقاله هايش به کار برد و در ابتدا درک عميقي از آنچه که کشف کرده بود، نداشت.«کارهه کامرلينگ اونس» اصيل زاده هلندي در سال ۱۹۱۳ به خاطر کشف خاصيت ابررسانايي به دريافت بزرگترين جايزه علمي دنيا، نوبل فيزيک مفتخر شد.
● اندازه گيري مقاومت ابر رسانا
اونس براي اندازه گيري مقاومت ابررسانا آزمايشي را به اين صورت طرح کرد که ابتدا جرياني را در دو سر يک پيچه برقرار کرد و سپس آن را داخل يک ظرف هليم مايع فرو برد تا به حالت ابررسانايي درآيد. سپس دو سر پيچه را به هم وصل کرد تا اتصال کوتاه شود. سپس با قرار دادن يک قطب نما، هرگونه افت در ميعان مغناطيسي توليد شده توسط جريان در پيچه را اندازه گرفت. چنين آزمايشي، چندين سال بعد در MIT (موسسه فناوري ماساچوست) در ابعاد بسيار بزرگ انجام شد و پس از مدت دو سال هيچ گونه افت جرياني مشاهده نشد. اما سرانجام اعتصاب صنفي کارگران بخش حمل و نقل در ايالت ماساچوست باعث شد که هليم مايع به موقع به آزمايشگاه نرسد و آزمايش متوقف شود.
● اثر ميدان مغناطيسي
کشف خاصيت ابررسانايي در نخستين مراحل، دانشمندان را مصمم به ساخت منبع لايزالي براي توليد انرژي کرد؛ يعني ساخت سيم پيچ هايي عظيم از ابررسانا براي صرفه جويي در مصرف برق. اما اين بار هم اونس بود که نشان داد زياد شدن ميدان مغناطيسي باعث از بين رفتن خاصيت ابررسانايي مي شود.در واقع هم دما و هم ميدان مغناطيسي و هم شدت جريان الکتريکي عبوري در ايجاد خاصيت ابررسانايي در فلزات موثر است. اگر ميدان مغناطيسي در محيط ايجاد شود، دماي ابررساني پايين تر مي رود.
● ماهيت ابر رسانايي
از زمان کشف خاصيت ابررسانايي تا بيش از نيم قرن پس از آن هر دهه به طور متوسط ۷ يا ۸ نظريه براي توضيح ابررسانايي ارايه مي شد. اما همه اين نظرات در يک نکته با هم مشترک بودند و آن عدم انطباق با واقعيت بود. کار به جايي رسيد که فليکس بلوخ، فيزيکدان حالت جامد فرضيه جديدي را به طنز منتشر کرد که تا مدت مديدي تنها نظر صحيح در مورد ابررسانايي بود: «مي توان ثابت کرد هر نظريه اي که براي توضيح ابررسانايي داده شود، غلط است!»
در تمام اين مدت افرادي نظير مايسنر، برادران لاندن، گورتر، کازيمير، ابريکوسوف، لاندايو و گينزبرگ کشفيات نظري و تجربي مهمي در مورد ابررسانايي انجام داده بودند که بعضي از آنها هم به خاطر کشفيات شان موفق به اخذ جايزه نوبل فيزيک شدند. اما سرانجام در ۱۹۵۷ سه فيزيکدان آمريکايي باردين، کوپر و شريفر در مقاله اي که ۱۵ سال بعد (۱۹۷۲) جايزه نوبل فيزيک را برايشان به ارمغان آورد، موفق به توضيح ابررسانايي شدند. اين تيوري که به اختصار BCS (ابتداي نام سه نويسنده) ناميده مي شود، در مجله فيزيکال ريويو لترز به چاپ رسيد. ايده اين نظريه را سال قبل کوپر در مقالهاي که در آن تشکيل يک زوج از الکترون ها را داده بود، فراهم کرده بود.در حقيقت تشکيل يک زوج از الکترون باعث مي شود که اين زوج در هنگام حرکت در طول يک رسانا اثرات اصطکاکي ناشي از مقاومت را حس نکنند. البته اين تنها يک توصيف بسيار ساده شده از آنچه که واقعاً رخ مي دهد است. پديده هاي مهمي در اين بين رخ مي دهند که باردين، کوپر و شريفر در مقاله شان توضيح دادند. لازم به ذکر است که جان باردين تنها فيزيکداني است که دو بار موفق به کسب جايزه نوبل فيزيک شده است: در ۱۹۵۶ به خاطر کشف نيمرساناها و در ۱۹۷۲ به خاطر توضيح ابررسانايي.
ابر رسانا هاي دماي بالا
اما ماجرا با توضيح ابررسانايي خاتمه نيافت. در دهه ۱۹۸۰ در آزمايشگاه IBM در زوريخ فيزيکدان سوييسي، الکس مولر به همراه دستيار جوانش جورج بدنورز در حال ساخت نوعي سراميک بودند که اشتباه اين جوان در گرم نکردن يک اجاق باعث کشفي شد که هم پاي کشف آتش از بزرگترين دستاورد هاي بشر در تهيه انرژي است. اين سراميک در دماي بسيار بالاتري از صفر مطلق در حدود ۷۰ تا ۸۰ کلوين خاصيت ابررسانايي از خود بروز مي دهد. البته امروزه ابررساناهاي سراميکي ساخته شده اند که تا بيش از ۲۰۰ کلوين (منفي ۶۰ درجه سانتيگراد) از خود خاصيت ابررسانايي نشان مي دهند. امروزه گروه هاي مختلفي از سرتاسر جهان به دنبال اين هستند که بالاخره ماده اي را کشف کنند که بتواند در دماي معمولي (۳۰۰ کلوين) هم از خود خاصيت ابررسانايي نشان دهد.همان طور که از ظاهر امر برمي آيد، خاصيت ابررسانايي در سراميک ها و فلزات، سرشتي متفاوت دارند. سراميک ها، نارسانا هستند و سپس به ابررسانا تبديل مي شوند. در حالي که فلزات رسانا هستند و ناگهان مقاومت در آنها صفر مي شود. دماي گذار به ابررسانايي هم در فلزات بسيار پايين تر از سراميک ها است. به اين ترتيب نظريه BCS ديگر قادر به توضيح ماهيت ابررسانايي در سراميک ها يا ابررسانا هاي دماي بالا (High TC) نيستند. دانشمندان تاکنون نظريه اي رضايت بخش براي توضيح اين پديده نيافته اند و اين مسيله يکي از مهم ترين مسايل حل نشده تاريخ فيزيک است.
● تکنولوژي ابر رساناها
در ارتباط با ابررسانا هاي جديد در دماي بالا تاکنون هيچ کاربرد تجاري در گستره دمايي که فعلاً کشف شده (زير ۲۰۰ کلوين) به طور کامل به منصه ظهور نرسيده است. حتي در آزمايش هاي فضايي که در دمايي پايين تر از دماي گذار به ابررسانايي در اين مواد انجام مي شود، پژوهشگران ترجيح مي دهند از همان ابررسانا هاي قبلي و در محيط هليم مايع استفاده کنند تا به تمام جنبه هاي مسيله مسلط باشند. فوري ترين کاربرد براي ابررسانا هاي دماي بالا ساخت تراشه هاي فوق سريع است که انقلابي عظيم را در فناوري اطلاعات ايجاد خواهد کرد که با اختراع ترانزيستور ها قابل قياس است. يکي از کاربرد هاي ابررسانا ها با توجه به حساسيت آنها به ميدان مغناطيسي اکتشافات معدني، زمين شناختي و حتي رديابي زيردريايي ها است. ساخت قطار هايي که با استفاده از خاصيت ابررسانايي ميدان مغناطيسي توليد مي کنند که آنها را بالاتر از سطح زمين و بدون هيچ گونه اصطکاک با ريل که موجب تلف کردن مقدار زيادي از انرژي مي شود، قطار را به حرکت درمي آورد، يکي از شناخته شده و معروف ترين کاربرد هاي ابررسانايي است. اين قطار ها قادرند مسافت بيش از ۵۰۰ کيلومتر را در کمتر از يک ساعت بپيمايند. به کار بردن ابررسانا ها در خطوط انتقال نيرو حتي با احتساب کليه هزينه هاي سرد نگه داشتن ابررسانا رقمي معادل ۷۰ تا ۸۰ درصد صرفه جويي در مصرف برق را نشان مي دهد که بسيار عظيم است.به کار بردن ابررسانا ها در وسايل تحقيقاتي (مثل شتاب دهنده ها) و وسايل پزشکي (مثل دستگاه MRI) از کاربرد هاي عادي ابررسانا ها شده است.به کار بردن ابررسانا هاي سراميکي مزيت ديگري هم دارند و آن اين که براي سرد کردن آنها (با توجه به دماي بالاتر نسبت به ابررسانا هاي فلزي) به جاي هليم مايع مي توان از نيتروژن مايع استفاده کرد که بسيار ارزان تر و فراوان تر است. يکي از مهم ترين مسايل فني، تبديل ابررساناي سراميکي به هليم است که بايد حل شود و تا آن زمان چاره اي جز صبر نداريم.

گابرو عبارت از سنگ نفوذي تمام بلورين است که داراي بافت فانريتي بوده و کانيهاي زير در آن ديده مي‌شود. کانيهاي فرومنيزين (اوژيت ، هيپرستن يا اوليوين و گ ...

رابرت هوك در خانواده اي روحاني در دهكده فرش واتر در ساحل جنوبي انگلستان و در سال ۱۶۳۵ چشم به جهان گشودو كودكي ضعيف و نحيف بود كه دچار سوء تغذيه نيز بو ...

رابرت هوک، فيزيکدان شهير انگليسى روز هيجدهم ژوئيه سال 1635 ميلادى در دهکده فرش واتر واقع در ساحل جنوبى انگليس چشم به جهان گشود. پدرش کشيش همان محل بود ...

رسانايي خاصيتي از مواد است که باعث انتقال انرژي الکتريکي در آنها مي شود. اين خاصيت در مواد مختلف، يکسان نيست. طلا و نقره رسانا هاي خيلي خوبي هستند در ...

وقتي پس از حادثه ۱۱ سپتامبر ۲۰۰۱ ميلادي، تمام پروازهاي تجاري ايالات متحده لغو شد؛ کارشناسان هواشناسي فرصت غيرمنتظره ۳ روزه اي را بدست آوردند تا فرضيات ...

رسانايي خاصيتي از مواد است که باعث انتقال انرژي الکتريکي در آنها مي شود. اين خاصيت در مواد مختلف، يکسان نيست. طلا و نقره رسانا هاي خيلي خوبي هستند در ...

اتمهاي گازهاي بي اثر ميل ندارند با عنصرهاي ديگر پيوند تشکيل دهند يا با اتمهاي ديگري از نوع خود به يکديگر بپيوندند، ولي عنصرهاي ديگر به جز گازهاي بي اث ...

● کاربرد ابررسانا در سيم و کابل کشف متحول کننده ابررساناهاي دما بالا در سال ۱۹۸۶ منجر به تحول و توليد نوع جديدي از کابلها در سيستمهاي قدرت شد. در ايال ...

دانلود نسخه PDF - ابر رسانايي