ابررسانایی - ویکی‌پدیا

# ابررسانایی

### از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد.

گُمان می‌رود حق‌ تکثیر محتویات این صفحه با سیاست‌های ویکی‌پدیا در مورد حق تکثیر سازگاری ندارد. لطفاً اطلاعات بیشتری در این مورد بیفزایید و یا وضعیت حق تکثیر منبع اصلی این مقاله را بررسی کنید.

در سال ۱۹۰۸ هایک کمرلینگ اونز هلندی در دانشگاه لیدن موفق به تولید هلیوم مایع گردید و با استفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود یک درجه کلوین برسد. یکی از اولین بررسی‌هایی که اونز با دسترسی به این درجه حرارت پایین 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 کمتر از دمای اتاق برسد کاهش پیدا می‌کند؛ اما معلوم نبود که اگر درجه حرارت تا حدود کلوین تنزل یابد، مقاومت تا چه حد کاهش می‌یابد. اونز که با پلاتینیوم کار می‌کرد متوجه شد که سرد شدن نمونه پلاتینیوم با اندکی کاهش در مقاومت الکتریکی آن همراه است که متناسب با خلوص نمونه متغیر بود.

در آن زمان خالص‌ترین فلز قابل دسترس جیوه بود و اونز در تلاش برای به دست آوردن رفتار فلز خیلی خالص، مقاومت جیوه خالص را در دماهای مختلف اندازه گرفت. در سال ۱۹۱۱ وی دریافت که در درجه حرارت خیلی پایین، مقاومت جیوه تا حد غیرقابل اندازه‌گیری کاهش می‌یابد که البته موضوع شگفت‌انگیزی نبود اما نحوه از بین رفتن مقاومت غیر منتظره به نظر می‌رسید. اونز مشاهده نمود هنگامی که درجه حرارت جیوه به سمت صفر درجه مطلق تنزل داده می‌شود، کاهش آرام مقاومت ناگهان در حدود ۴ درجه کلوین با افت بسیار بزرگی مواجه شده و پایین‌تر از این درجه حرارت، جیوه هیچ‌گونه مقاومتی از خود نشان نمی‌داد. همچنین این گذار ناگهانی به حالت بی‌مقاومتی، فقط مربوط به خواص فلزات نمی‌شد و حتی در جیوه ناخالص نیز اتفاق می‌افتاد. اونز به این نتیجه رسید که پایین تر از ۴ درجه کلوین، جیوه به حالت دیگری از خواص الکتریکی که کاملا با حالتهای شناخته شده قبلی متفاوت بود رسیده است. این حالت تازه «ابررسانایی» نام گرفت. البته موادی مانند نقره نیز هستند که مقاومت ویژه‌شان حتی در دمای صفر درجه کلوین نیز به صفر نمی‌رسد.

مدتی بعد مشخص شد که با تغییر برخی شرایط مانند افزایش دوباره دما، ابررسانایی از بین می‌رود یعنی مقاومت الکتریکی فلزاتی که به وضعیت ابررسانایی رسیده‌اند، مجدداً قابل بازیابی است. همچنین با بررسی خصوصیتهای مغناطیسی فلزات ابررسانا، مشخص شد که اگر یک میدان مغناطیسی قوی به ابررسانا اعمال شود، خواص مغناطیسی فلز ابررسانا نسبت به درجه حرارت‌های معمولی بسیار متفاوت می‌باشد. بر اساس تحقیقات انجام شده، تاکنون مشخص شده است که نصف عناصر فلزی و همچنین برخی آلیاژها و سرامیکها در درجه حرارت‌های پایین ابررسانا می‌شوند. مشکل اصلی در استفاده از ابررساناها، ایجاد دمای بسیار پایین آن است. دمای ابررسانایی برای ابررساناهای اولیه در حدود کمتر از ۲۵ درجه کلوین (۲۴۸- درجه سانتیگراد) بود و تنها با کمک ئیدروژن یا هلیوم مایع محیا می‌شد که بسیار گران قیمت و خطرناک است. بعد از حدود هفت دهه از کشف ابررساناهای معمولی، سرانجام در سال ۱۹۸۶ مواد سرامیکی جدیدی از نوع اکسیدهای مس کشف شدند که در دمای بالاتر از ۷۷ درجه کلوین که دمای جوش نیتروژن مایع است، توانایی بروز خاصیت ابررسانایی داشتند و به ابررساناهای دمابالا (HTS) معروف شدند. تحقیقات صورت گرفته تا سال ۲۰۰۵ منجر به ساخت ابررساناهایی شده است که در فشار بالا و دمای حدود ۱۶۵ درجه کلوین (۱۰۸- درجه سانتیگراد) ابررسانا می‌شوند. 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. برپایة 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: پدیدة 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 یا MAGLEV 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. به عبارت بهتر، جریان سطحی چگالی شاری مانند تولید می‌کند که با چگالی شار میدان مغناطیسی اعمال شده در هر نقطه داخل نمونه برابر است و بنابراین آن را حذف می‌کند. 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. با این که دو نوع مورد اشاره، خاصیت‌های الکتریکی و حرارتی تقریباً مشابهی دارند، اما در رفتار مغناطیسی کاملاً متفاوت هستند. برخلاف ابررساناهای نوع I که حتی در دمای کمتر از دمای بحرانی وقتی در معرض میدان مغناطیسی بزرگ‌تر از مقدار میدان مغناطیسی بحرانی قرار می‌گیرند، به حالت عادی باز می‌گردند، ابررساناهای نوع II رفتار متفاوتی دارند. این مواد در میدان مغناطیسی کمتر از یک مقدار بحرانی یا مانند ابررساناهای نوع اول دیامغناطیس کامل هستند اما در بین این مقدار و یک میدان بالاتر که نامیده شد، یک حالت آمیخته رخ می‌دهد که علیرغم نفوذ شار، ماده همچنان ابررسانا باقی می‌ماند. در میدانهای بیشتر از مقدار خاصیت ابررسانایی به طور کامل حذف می‌شود. 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، ابررسانای نوع اول به ابررسانای نوع دوم تبدیل می‌شود. از نظر مغناطیسی، ابررساناهای نوع اول دارای سه 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. با وجود این که پدیده ابررسانایی در دهه اول قرن بیستم کشف شد، هنوز هم تحقیقات زیادی هم از لحاظ نظری، برای یافتن نظریه جامعی که همه جنبه های ابررسانایی را در بر داشته باشد و هم از لحاظ تجربی برای یافتن موادی که در دماهای بالاتر خاصیت ابررسانایی داشته باشند، ادامه دارد. تاکنون هیچ نظریه فیزیکی جامعی نتوانسته است به بیان دقیق علت خاصیت ابررسانایی سرامیکها بپردازد. اما درمورد ابررساناهای معمولی، در دهه ۱۹۵۰ سه فیزیکدان آمریکایی به نام‌های جان باردین، لئون نیل کوپر و جان رابرت شریفر نظریه‌ای دادند که با نام آنها به نظریه BCS معروف شد. 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. علاوه بر موارد اشاره شده، هدایت گرمایی فلزات نیز در شرایط عادی و ابررسانایی متفاوت است. در حالت ابررسانایی، الکترونها هیچ برخوردی با شبکه به صورت تبادل انرژی نخواهند داشت و در نتیجه نمی‌توانند گرما را از یک سوی نمونه به سوی دیگر آن منتقل کنند. در نتیجه اگر فلزی به حالت ابررسانایی برود، هدایت گرمایی کاهش پیدا می‌کند. این اثر در دماهای خیلی پایین‌تر از دمای گذار محسوس‌تر است چون در نزدیکی دمای بحرانی همیشه چند الکترون معمولی باقی می‌مانند تا گرما را انتقال دهند. برای مثال در دمای یک درجه کلوین، هدایت گرمایی سرب در حالت ابررسانایی در حدود ۱۰۰ برابر کمتر از حالت معمولی این فلز است. اگر یک ابررسانا با اعمال میدان مغناطیسی به حالت معمولی برده شود هدایت گرمایی به حالت اولیه باز می‌گردد. در نتیجه هدایت گرمایی یک ابررسانا را می‌توان توسط میدان مغناطیسی کنترل کرد. عامل دیگری که در تغییر خصوصیت ابررسانایی فلزات تأثیر دارد چگالی جریان عبوری است. این چگالی را چگالی جریان بحرانی یا می‌نامند. چگالی جریان بحرانی شامل هر دو جریان است یکی جریانی که از چشمه‌ای خارجی وارد نمونه می‌شود و دیگری جریانهای استتار است که نمونه را در مقابل میدان مغناطیسی اعمال شده حفاظت می‌کند. به دلیل همین چگالی جریان بحرانی است که وقتی ابررسانا تحت تاثیر میدان مغناطیسی بزرگی قرار گیرد به حالت عادی بازمی‌گردد. نابودی ابررسانایی با افزایش میدان مغناطیسی یکی از مهم‌ترین خواص ابررساناهاست. چگالی شاری که درصورت افزایش بیشتر، فلز خصوصیت ابررسانایی را از دست می‌دهد، چگالی شار مغناطیسی بحرانی یا می‌نامند و البته غالباً به جای آن از شدت میدان مغناطیسی استفاده می‌شود. میدان مغناطیسی بحرانی به دما بستگی دارد و ازمقداری مانند در دمای نزدیک صفر مطلق به مقدار صفر در دمای بحرانی کاهش می‌یابد.

برگرفته از «http://fa.wikipedia.org../../../%D8%A7/%D8%A8/%D8%B1/%D8%A7%D8%A8%D8%B1%D8%B1%D8%B3%D8%A7%D9%86%D8%A7%DB%8C%DB%8C.html»

رده‌های صفحات: مقاله‌های با حق تکثیر مشکوک

##### Views

- مقاله
- بحث
- نسخهٔ فعلی

##### جستجو شود