ابررساناها و مواد ابررسانا

ابررساناها و مواد ابررسانا فلزات، سرامیک ها، مواد آلی یا نیمه هادی های به شدت دوپ شده هستند که الکتریسیته را بدون مقاومت هدایت می کنند.

مواد ابررسانا می توانند الکترون ها را بدون مقاومت منتقل کنند و از این رو هیچ گرما، صدا یا دیگر اشکال انرژی آزاد نمی کنند. ابررسانایی در دمای بحرانی یک ماده خاص (Tc ) رخ می دهد . با کاهش دما، مقاومت یک ماده ابررسانا به تدریج کاهش می یابد تا زمانی که به دمای بحرانی برسد. همانطور که در نمودار سمت راست نشان داده شده است، در این نقطه مقاومت، اغلب به صفر می رسد.

در حال حاضر، بیشتر مواد باید به یک حالت انرژی بسیار کم از طریق دماهای پایین و/یا فشارهای بالا دست یابند تا به ابررسانایی دست یابند. در حالی که ابررساناهای تحقیقاتی که در دماهای بالاتر مؤثر هستند در حال توسعه هستند، ابررسانایی معمولاً تنها با فرآیندهای خنک‌کننده گران قیمت و ناکارآمد امکان‌پذیر است.

ابررساناها ویژگی‌های منحصربه‌فردی غیر از توانایی آن‌ها در هدایت کامل جریان دارند. به عنوان مثال، بسیاری از آنها میدان های مغناطیسی را در طول انتقال به حالت ابررسانا بیرون می کنند. این به دلیل اثر مایسنر است که در آن مواد ابررسانا جریان های الکتریکی را در نزدیکی سطح خود در Tc ایجاد می کنند ، بنابراین میدان های درون خود ماده را خنثی می کنند. یک آهنربای ثابت روی یک ابررسانا این اثر را نشان می‌دهد: همانطور که ابررسانا در دمای بحرانی خود سرد می‌شود، بیرون راندن شار مغناطیسی از هادی باعث می‌شود آهنربا در بالای ماده معلق شود.

اثر مایسنر: شار مغناطیسی ابررسانا در بالا (چپ) و زیر دمای بحرانی.

اصول

با بررسی فرمول های مختلف می توان اصول ابررسانا را توضیح داد. اول، عدم مقاومت در یک ابررسانا حامل جریان را می توان با قانون اهم، R=V/I، که در آن R مقاومت، V ولتاژ، و I جریان است، نشان داد. از آنجایی که مواد ابررسانا جریانی بدون ولتاژ اعمالی دارند، R=0. ابررسانایی همچنین شامل اتلاف توان نمی شود، زیرا توان به صورت P=I 2 R تعریف می شود. از آنجایی که R در یک ماده ابررسانا صفر است، تلفات توان صفر است.

این فرمول ها به همراه سایر اصول ابررسانا در فیلم آموزشی زیر توضیح داده شده است.

انواع ابررساناها

ابررساناها به مواد نوع I و نوع II طبقه بندی می شوند.

مواد نوع I حداقل مقداری رسانایی در دمای محیط نشان می دهند و عمدتاً شامل فلزات و متالوئیدهای خالص هستند. آنها دماهای بحرانی پایینی دارند، معمولاً بین 0 تا 10 کلوین (به ترتیب -273 درجه سانتیگراد و -263 درجه سانتیگراد). همانطور که در بالا توضیح داده شد، این نوع کاهش ناگهانی مقاومت و همچنین بیرون راندن کامل میدان های مغناطیسی (کاملا دیامغناطیسی) در دمای بحرانی را تجربه می کند.

فلزات نوع I از طریق کاهش سرعت فعالیت مولکولی از طریق دماهای پایین به ابررسانایی دست می یابند. با توجه به نظریه BCS، این یک محیط مساعد برای جفت شدن کوپر ایجاد می کند به طوری که جفت الکترون ها قادر به غلبه بر موانع مولکولی هستند که منجر به جریان الکترون آزاد بدون ولتاژ اعمال می شود.

مس، نقره و طلا سه تا از بهترین هادی های فلزی هستند اما ابررسانا نیستند. این به دلیل ساختار شبکه سلول های واحد مکعبی (FCC) آنهاست که آنقدر محکم بسته شده اند که ارتعاشات شبکه در دمای پایین ضروری برای ابررسانایی نمی توانند الکترون های آزاد را به جفت کوپر وادار کنند. در حالی که برخی از فلزات FCC مانند سرب قادر به ابررسانایی هستند، این به دلیل عوامل خارجی مانند مدول الاستیسیته پایین سرب است.

بیشتر مواد نوع II ترکیبات یا آلیاژهای فلزی هستند، اگرچه وانادیوم عنصری، تکنسیوم و نیوبیم نیز در این گروه قرار دارند. آنها قادر به ابررسانایی در دماهای بحرانی بسیار بالاتر هستند. به عنوان مثال، آزمایش 2015 Sn 8 SbTe 4 Ba 2 MnCu 14 O 28 + Tc 400 K (+129 درجه سانتیگراد)، بیش از 100 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای محیط به دست آورد، اگرچه مواد معمولی نوع II دارای دماهای بحرانی در داخل هستند. محدوده 10-130 K از سال 2015 هیچ توافق علمی در مورد دلیل این دماهای بحرانی بالاتر وجود ندارد.

مواد نوع II همچنین حالت مخلوطی به خود می گیرند، که با مقاومت در برابر فرو رفتن در Tc برای مواد نوع I، زمانی که به دمای بحرانی خود نزدیک می شوند، در تضاد است . حالت های مختلط به دلیل این واقعیت ایجاد می شوند که ابررساناهای نوع II هرگز میدان های مغناطیسی را به طور کامل دفع نمی کنند، به طوری که می توان "نوارهای" ابررسانای میکروسکوپی را روی مواد مشاهده کرد.

سایر طبقه بندی ها

طبقه بندی بر اساس انواع بالا از نظر تئوری با رفتار میدان مغناطیسی انجام می شود. مواد نوع I دارای یک دمای میدان بحرانی واحد هستند که بالاتر از آن ابررسانایی به طور کامل متوقف می شود، در حالی که مواد نوع II دارای دو نقطه میدان بحرانی هستند که ممکن است یک حالت مخلوط بین آنها وجود داشته باشد. روش دیگر برای طبقه‌بندی ابررساناها بر اساس دما است، با مواد «دمای پایین» که زیر ابررسانایی خنک‌شده با نیتروژن مایع قرار می‌گیرند و مواد «درجه حرارت بالا» بالاتر از آن قرار می‌گیرند. مواد با دمای پایین ممکن است با استفاده از گازهای مایع مانند نئون، هیدروژن و هلیوم خنک شوند.

فهرست جامعی از دماهای بحرانی برای مواد ابررسانا را می توان در اینجا برای نوع I و اینجا برای نوع II یافت .

نمودار زیر این تمایز و همچنین جدول زمانی را نشان می دهد که تاریخچه اکتشافات دمای بحرانی را نشان می دهد. موادی که دمای بحرانی آنها بالاتر از نقطه جوش نیتروژن مایع (حدود 77 کلوین) است، به عنوان مواد با دمای بالا شناخته می شوند. افزایش چشمگیر Tc که در وسط نمودار مشاهده می شود، نتیجه کشف کوپرات ها و پروسکایت های ابررسانا با Tc بالا در سال های 1986 و 1987 است.

عوامل شکل محصول

تامین کنندگان ابر رساناها و مواد ابررسانا محصولاتی را در اشکال مختلف ارائه می کنند که برخی از آنها در زیر ذکر شده است.

مواد ابررسانای خام شامل ترکیبات شیمیایی به شکل پودر یا کریستال می باشند. پودر ابررسانا در ساخت پیل‌های سوختی کارآمدتر، غشاهای جداکننده گاز و باتری‌های لیتیوم یون گنجانده می‌شود.

آهنرباها برای کاربردهای MAGLEV و MRI، همانطور که در زیر بحث شده است، و همچنین میکروسکوپ و طیف‌سنجی NMR/EPR تولید می‌شوند.

سیم و کابل در انتقال نیروی ابررسانا و تحقیقات علمی در میدان های مغناطیسی فوق العاده بالا استفاده می شود.

سازندگان ابررساناها ممکن است در پیشرفت یک ترکیب ابررسانا خاص، مانند فرمول های مبتنی بر نیوبیم یا دیبورید منیزیم (MgB2) تخصص داشته باشند .

برنامه های کاربردی

ابررساناها در مقیاس تجاری گسترده به دلیل خنک سازی گسترده لازم برای رسیدن به حالت های ابررسانا در دسترس نیستند. آنها در چند کاربرد تخصصی رایج هستند، از جمله:

قطارهای MAGLEV از آهنرباهای ابررسانا برای از بین بردن عملا اصطکاک بین قطار و ریل استفاده می کنند. استفاده از آهنرباهای الکترومغناطیس معمولی مقادیر زیادی انرژی را از طریق اتلاف گرما هدر می دهد و استفاده از آهنربای غیرقابل انعطاف را ضروری می کند، در حالی که ابررساناها منجر به کارایی برتر و آهنرباهای کوچکتر می شوند.

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) از میدان های مغناطیسی تولید شده توسط ابررسانا برای تعامل با اتم های هیدروژن و مولکول های چربی در بدن انسان استفاده می کند. سپس این اتم‌ها و مولکول‌ها انرژی آزاد می‌کنند که شناسایی شده و به یک تصویر گرافیکی تبدیل می‌شود. MRI یک روش رادیوگرافی پرکاربرد برای تشخیص پزشکی یا مرحله بندی بیماری هایی مانند سرطان است.

ژنراتورهای الکتریکی ساخته شده با سیم ابررسانا در آزمایش‌های آزمایشی به رتبه‌بندی بازدهی ۹۹ درصدی دست یافته‌اند، اما هنوز به صورت تجاری ساخته نشده‌اند.

تولید برق با استفاده از کابل ها و ترانسفورماتورهای ابررسانا به صورت تجربی آزمایش و نشان داده شده است.

استانداردها

استانداردها و کتاب های راهنمای منتشر شده مختلف به ابررسانایی و ابررساناها می پردازند. مثالها عبارتند از:

• BS EN 61788 — ابررسانایی ( سری )

• IET - نظریه الکترودینامیکی ابررساناها

• وایلی - مواد فله نیمه هادی با دمای بالا

مراجع

فیزیک سایبری - ابررسانایی

اطلاعات ابررسانا برای مبتدیان

دانشگاه آلاسکا فیربنکس - ابررسانایی

منبع: globalspec