ابر رسانایی
همان طور كه می دانید مقاومت فلزات با افزایش دما افزایش می یابد و با كاهش دما، كاهش می یابد. در سال 1290 هجری (1911م) دانشمندی به نام "كامرلینگ اونس" كه چند سال قبل توانسته بود گاز هلیم را مایع نموده و به دمای حدود 40k دسترسی پیدا كند (البته با تبخیر سریع هلیم به دمان حدود 10k نیز دست یافته بود) تصمیم گرفت كه دمای اجسام رسانا را پایین و پایین تر ببرد و رسانندگی آن ها را در آن دماها بررسی كند چرا كه می دانست مقاومت رسانا با كاهش دما كم می شود. او انتظار داشت در دمای 10k مقاومت رساناها بسیار كم شود.
وی مقاومت الكتریكی جیوه جامد را با كاهش دما بررسی كرد. دمای جیوه را كم و كمتر نمود تا این كه در دمای حدود 40kمتوجه یك اتفاق جالب شد. مقاومت جیوه در چنین دمایی به یك باره صفر شد. این موضوع برای دانشمندان بسیار جالب و تعجب انگیز بود. مگر می شود در دمایی بالاتر از صفر مطلق (00k) مقاومت یك رسانا صفر شود؟
بعدها دانشمندان برای توجیه این پدیده نظریه ای تحت عنوان نظریه BCS:
( B و C و S حرف های اول اسم سه دانشمند است) مطرح كردند كه می گفت:
در دماهای پایین الكترون ها تشكیل زوج الكترون می دهند و این باعث می شود در برخورد با اتم هایی كه در حال ارتعاش اند، انرژی زیادی از دست ندهند. بنابراین به راحتی می توانند از بین اتم ها عبور كنند.
بعد از كشف "اونس" دانشمندان دیگر شروع به آزمایش هایی روی مواد دیگر كردند و دیدند"سرب"در دمای حدود 70k دارای مقاومت صفر می شود. اما بعضی مواد حتی در دمای بسیار نزدیك صفر درجه كلوین همچنان مقاومت الكتریكی داشتند.
همان طور كه در شكل زیر می بینید قلع با كاهش دما مقاومتش كم می شود تا اینكه در دمای 40k یكدفعه مقاومت آن صفر می گردد، ولی با كاهش دمای نقره تا حدود 10k مقاومتش كم می شود و از 10k تا صفر درجه كلوین تقریباً در حد4Ω ثابت می ماند.
وقتی مقاومت جسمی صفر می شود می گویند ابر رسانا شده است و دمایی كه در آن مقاومت جسم صفر می شود دمای بحرانی نام دارد و به مقاومتی كه در دمای صفر درجه دارد مقاومت ویژه باقیمانده می گویند.
با توجه به شكل بالا دمای بحرانی قلع و مقاومت ویژه باقیمانده نقره را به دست آورید؟
پاسخ:
دمای بحرانی قلع 40k و مقاومت ویژه باقیمانده نقره4Ω است.
یكی از كاربردهایی كه دانشمندان برای ابر رسانا در نظر گرفتند انتقال الكتریسیته بود. بنابراین اگر بخواهیم از جسمی كه در دمای حدود 40k ابر رسانا می شود به عنوان كابل انتقال برق استفاده كنیم آنگاه باید اطراف آن هلیم مایع بگذاریم كه كار مشكلی است. اگر آن جسم در دمای حدود 140k ابر رسانا شود آنگاه می توانیم از هیدروژن استفاده كنیم كه باز كار مشكل و خطرناكی است.
بنابراین دانشمندان دنبال آن بودند كه ماده ای بیابند كه در دماهای بالاتر ابر رسانا شود (شاید به این فكر بودند كه برای كاهش دما جسم از نیتروژن مایع استفاده كنند. البته برای این منظور باید جسمی بیابند كه در دمای حدود 770k یا بالاتر ابر رسانا شود).
در سال 1366 ه (1987) دانشمندان به فكر آزمایش آلیاژها افتادند و سرامیكی تهیه كردند كه در 90k ابر رسانا می شد. در همان سال سرامیك دیگری تهیه شد كه در دمای 225k یعنی 480c- ابر رسانا می شد یعنی در دمای یخ خشك و این باعث شد دانشمندان به فكر تولید ماده ای باشند تا در دمای معمولی ابر رسانا شود. در جدول زیر دمای بحرانی چند ماده آمده است.
در نمودار زیر دمای بحرانی و سال كشف چند ماده آمده است.
چرا بعضی مواد حتی در دمای صفر درجه مقداری مقاومت ویژه دارند؟
پاسخ:
ما انتظار داریم كه جسم در دمای صفر درجه كلوین (به خاطر نبود ارتعاش اتمی)، مقاومتی در مقابل جریان الكتریكی نداشته باشد، ولی می بینیم بعضی مواد اینطور نیستند (مثل نقره كه از 100k تا صفر درجه كلوین مقاومتی حدود 4Ω را دارد). این به خاطر بی نظمی موجود در ترتیب قرار گرفتن اتم های جسم است.
برگردیم به مدل سازی حیاط شلوغ مدرسه و در نظر بگیرید همه دانش آموزان در صف های مرتبی قرار گرفته باشند، اما بعضی از افراد ما بین صف ها باشند یا كیف خود را وسط گذاشته باشند، در این صورت با این كه دانش آموزان تحرّكی ندارند و شما نسبت به حالتی كه تحرّك داشتند راحت می توانید از بین آن ها بگذرید ولی وجود اشخاص یا كیف ها (در بین صف ها) باعث می شود كه عبور شما به راحتی انجام نشود و مانعی سر راه خود ببینید.
كاربردهای ابر رسانی در صورت عملیاتی شدن بسیار خواهد بود از جمله استفاده از آن ها در انتقال الكتریسیته از نیروگاه ها به شهرها است (كه از اتلاف انرژی زیادی جلوگیری می كند). یا این كه برای ذخیره سازی جریان الكتریكی مورد استفاده قرار گیرند.
كاربرد دیگر ابر رسانا می تواند در تولید میدان مغناطیسی ارزان قیمت باشد. به عنوان نمونه برای قطارهایی كه روی بالشتكی از میدان مغناطیسی حركت می كنند استفاده از ابر رسانایی برای تهیه میدان مغناطیسی مورد نیاز بسیار مفید است.
مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: محسنی
تنظیم: مریم فروزان کیا
