ابر رسانایی وخصوصیات جالب آن

توسط سایر کاربران · بهمن ۱۰, ۱۳۸۵

ابر رسانایی ,که در سال ۱۹۱۱ توسط هایکه کامرلین انز کشف شد ,یک پدیده است که در بعضی مواد در دما های بسیار پایین (در حدود ۲۰۰- سلسیوس )رخ میدهد.از شناسه های این پدیده نبودن هیچ گونه مقاومت الکتریکی و توانایی دفع میدان مغناطیسی داخلی آن (یا اثر مایزنر )است.

مقاومت یک رسانا با کاهش دما کاهش می یابد ولی در رسانا ها, معمول, مانند مس و نقره, حتی در نزدیک صفر مطلق نیز مقاومت صفر نمی شود. در عوض مقاومت ابر رسانا اگر دما به زیر دمای بحرانی آن ابر رسانا برسد یکباره صفر می شود .

مانند فرو مغناطیس بودن و خطوط طیف اتمی ابر رسانایی یک پدیده ی مکانیک کوانتومی می باشد.و نمیتوان آن را به صورت " حالت آرمانی رسانایی کامل" از دید فیزیک کلاسیک نگاه کرد.

ابر رسانایی در انواع زیادی از مواد رخ میدهد مثلا در عناصر ساده ای مانند آلومینیوم وقلع ,بعضی آلیاژ ها ونیز نیمرساناهای پر-آلایش. در "فلز های نجیب"(فلزاتی که میل ترکیبی کمی دارند)مانند طلا و نقره و همچنین مواد فرومغناطیس این اتفاق نمی افتد.

برای ادامه ی مطلب و دانلود کتاب الکترونیکی بر روی ادامه مطلب کلیک کنید

در سال ۱۹۸۶ خانواده جدیدی از ابررسانا ها معرفی شد که این قابلیت را داشتند که در دمای بحرانی آنها بالا تر) مثلا در حدود ۹۰ درجه ی کوین( ابررسانا شوند.این مواد باعث شدند که علاقه مندی و تحقیقات روی مواد ابر رسانا بیشتر شود.این مواد جدید پدیده ی نوینی را معرفی کردند که نظریه ی کنونی برای ابررسانا آن را توضیح نداده بود.

ویژگی های اصلی ابررسانا ها

بیشتر ویژگی های فیزیکی ابررسانا ها در مواد مختلف متفاوت است مانند ظرفیت گرمایی و دمای بحرانی که ابررسانایی در آن دما شروع می شود.ولی در عوض ویژگی هایی وجوددارند که به نوع ماده ی ابررسانا شده بستگی ندارد.مثلا همه ی آنها دارای مقاومت صفر در برابر جریان های کم( بدون حضور میدان مغناطیسی خارجی) هستند.وجود این ویژگی های "جهانی" نشان می دهد که ابر رسانایی یک حالت ترمودینامیکی است و دارای بعضی ویژگی های متمایز است که از جزئیات میکروسکوپی به طور زیادی مستقل است.
ابر رسانا ها قادرند یک جریان را بدون اعمال هیچ گونه ولتاژی ثابت نگه دارند ویژگی ای که در آهنرباهای الکتریکی داخل MRI استفاده می شود.آزمایشات نشان می دهند که جریان در سیمپیچ های ابررسانا سال ها بدون کاهش قابل اندازه گیری ادامه می یابند.از نظر آزمایشگاهی جریان در ابررسانا ها تا ۱۰۰,۰۰۰ سال و از نظر تئوری تا عمر جهان ادامه می یابد.

در یک رسانای معمولی جریان الکتریکی را می توان یک سیال از الکترون هایی دانست که در یک شبکه ی یون سنگین حرکت می کنند.الکترونها دائما با یون های شبکه برخورد می کنند و در هر برخورد مقداری از انرژی جریان توسط شبکه جذب شده و به گرما تبدیل می شود(که در اصل انرژی جنبشی نوسانی یون های شبکه است)در نتیجه انرژی جریان تلف می شود. این پدیده مقاومت الکتریکی نام دارد.

ولی در ابر رسانا موضوع فرق می کند.در یک ابررسانا جریان سیال الکترونیکی نمی تواند به صورت الکترون های تک در نظر گرفته شود.در عوض از جفت الکترونهای به هم مجاور که جفت های کوپر نامیده می شود تشکیل شده و یک ابر سیال الکترونی تشکیل می دهند .دلیل اینکه الکترون ها می توانند به صورت جفت در کنار هم قرار بگیرند این است که ….

نظریه یBCS
نام این نظریه گرفته شده از اول نام پدید آورندگان این نظریه است.این نظریه بیان می کند که الکترون ها یی با اسپین مخالف میتوانند با هم جفت بشوند و جفت های کوپر را تشکیل بدهند.در بسیاری از ابررسانا ها جاذبه بین الکترون ها ( برای جفت شدن )بوسیله ی بر هم کنش بین الکترون ها و و شبکه ارتعاش کننده ی بلور بوجود می آید .به طور تصویری می توان گفت:

یک الکترون, که در درون رسانا حرکت می کند, بارهای مثبت نزدیک را در شبکه ی بلور جذب می کند. این به هم ریختگی بلور باعث می شود که یک الکترون دیگر با اسپین مخالف به منطقه ای که دارای چگالی بار مثبت بیشتری است برود. دو الکترون با یک انرژی جاذبه به هم وصل می شوند. اگر این انرژی بیشتر از انرژی تامین شده توسط ضربه های اتم های نوسان کننده ی رسانا باشد (که در دماهای پایین این اتفاق می افتد ) این جفت الکترون به هم می چسبند و در مقابل ضربه ها مقاومت نشان می دهند به همین دلیل مقاومت الکتریکی حاصل نمی شود .

در نوع دیگری از ابررسانا ها که ابر رسانا های تیپ ۲ نامیده می شوند (ابررساناهای دما-بالا هم از این دسته می باشند.) در دمای مقداری پایینتر از دمای بحرانی مقاومت بسیار کمی( هنگامی که جریان همراه با میدان مغناطیسی قوی باشد) مشاهده می شود.دلیل این پدیده وجود حرکت های گردابی در درون ابر سیال است که مقداری از انرژی جریان راتلف می کند. مقاومت ناشی از این حالت در مقایسه با رساناهای معمولی بسیار ناچیز است ولی در آزمایشات حساس باید در نظر گرفته شود. هنگامی که دما پایینتر از از دمای تغییر فاز(دمایی که آثار ابررسانایی مشاهده می شود) می رود این گرداب ها "منجمد" شده و به حالت پایداری میرسند که "شیشه های گردابی "نام دارند.در دماهای پاینتر از دمای تشکیل این شیشه ها مقاومت به صفر میرسد.

اثر مایزنر meissner effect
وقتی که یک ابر رسانا درون یک میدان مغناطیسی ضعیف قرار میگیرد, میدان در درون ابررسانا تا اندازه ی مشخص (که عمق نفوذ نام دارد) نفوذ می کند و بعد از آن به طور ناگهانی از بین میرود.این پدیده را اثر مایزنر می نامند که از شناسه های ابررسانایی است. برای اکثر ابررسانا ها عمق نفوذ تقریبا ۱۰۰ نانو متر است.

اثر مایزنر بعضی اوقات با دیامغناطیسم که ما در از یک رسانای کامل انتظار داریم ,اشتباه می شود:طبق قانون لنز وقتی که یک میدان مغناطیسی متغیر به یک رسانا اعمال می شود,یک جریان را در درون رسانا القا می کند که میدان مغناطیسی ناشی از آن با میدان مغناطیسی اعمال شده مخالفت می کند.در یک رسانای ایده آل جریان بزرگتری القا می شود که میدان مغناطیسی حاصل به طور کامل میدان اعمال شده را خنثی می کند.
اثر مایزنر با این فرق می کند! زیرا ابررسانا ها همه ی میدان های مغناطیسی را دفع می کند:چه متغیر وچه ثابت! فرض کنید که یک ماده را در دمای معمولی داشته باشیم که یک میدان مغناطیسی یکنواخت به آن اعمال شده.وقتی این ماده به زیر دمای بحرانی خود سرد می شود مشاهده می شود که میدان مغناطیسی ناگهانی از خود, که با میدان مغناطیسی اعمال شده مخالفت می کند< ایجاد می کند.
وقتی که میدان مغنطیسی اعمالی بزرگ باشد اثر مایزنر از بین میرود.ابررسانا ها با توجه به اتفاقاتی که برای آنها بعد از اعمال میدان مغناطیسی بزرگتر(بزرگتر از حد معینی که اندازه ی بحرانی نام دارد ) به دو تیپ تقسیم می شوند.

کاربرد های ابر رساناها
ابر رسانا ها برای ساختن قوی ترین آهنرباهای الکتریکی استفاده می شوند;در MRIو در آهنرباهای پرتو-هدایت کن در شتابدهنده ی ذرات.همچنین برای جداسازی مواد با خاصیت آهنربایی کم از مواد غیر آهنربا در صنعت رنگرزی استفاده می شود.
در مدار هایSQUID و همچنین مدار های دیجیتال نیز از ابررسانا ها استفاده می شود.
برخی از استفاده های آن که برای استفاده در آینده پیش بینی شده اند عبارت اند از ترانسفورمر ها موتور های الکتریکی(مثلا ماشین ها یا قطار ها),وسایل شناور ساز مغناطیسی و…. .اما خاصیت ابررسانایی به میدان های مغناطیسی متغیر حساس است به همین دلیل کار کردن با آنها در زمینه هایی که جریان متناوب وجود دارد مشکلتر از جریان مستقیم است