مثال على المواد فائقة التوصيل

المادة فائقة التوصيل هي تلك التي تُظهر القدرة على توصيل الطاقة الكهربائية دون إظهار مقاومة أو فقد للطاقة في ظل ظروف معينة. تسمى هذه الجودة الموصلية الفائقة و تم اكتشافه في عام 1911 من قبل Heike Kamerlingh Onnes.

وقد استنتج أن ، مع انخفاض درجة الحرارة ، تصبح المقاومة الكهربائية لمادة موصلة للمعادن تدريجيًا أضعف; ومع ذلك ، في الموصلات التي تستخدم عادة ، مثل النحاس والنحاس والفضة Ag ، عيوب مثل الشوائب تولد حد أقصى لقيمة المادة. في حالة النحاس ، حتى بالقرب من الصفر المطلق ، تظهر مقاومة غير صفرية.

تنخفض مقاومة الموصل الفائق بشكل حاد إلى الصفر عندما تبرد المادة أقل من درجة حرارتها الحرجة. يمكن أن يستمر التيار الكهربائي المتدفق في سلك فائق التوصيل إلى أجل غير مسمى بدون مصدر طاقة. مثل المغناطيسية الحديدية والخطوط الطيفية الذرية ، الموصلية الفائقة هي ظاهرة لميكانيكا الكم.

الطابع المغناطيسي للموصلات الفائقة

على الرغم من أن الخاصية الأكثر بروزًا للموصلات الفائقة هي عدم وجود مقاومة ، فلا يمكن القول إنها مادة ذات موصلية لا نهائية. في الواقع ، المادة فائقة التوصيل من النوع الأول هي مادة مغناطيسية تمامًا. نفاذية المغناطيسية هي نوعية المواد التي تسمح لها بإبعاد المجالات المغناطيسية. على عكس البارامغناطيسية ، والتي تتكون من التفاعل مع جاذبية المجالات المغناطيسية

. هذا يعني أنه لا يسمح للمجال بالاختراق ، وهو ما يُعرف باسم تأثير مايسنر.

تميز الحقول المغناطيسية نوعين من الموصلات الفائقة: النوع الأول ، والذي لا يسمح لمجال مغناطيسي خارجي بالاختراق (الذي يستلزم جهدًا عالي الطاقة ، ويعني الانهيار المفاجئ لحالة التوصيل الفائق إذا تم تجاوز درجة الحرارة الحرجة) ، والنوع الثاني ، وهما من الموصلات الفائقة غير الكاملة، بمعنى أن يخترق الحقل بشكل فعال من خلال قنوات صغيرة تسمى دوامات أبريكوسوف ، أو الدوامات. هذان النوعان من الموصلات الفائقة هما في الواقع مرحلتان مختلفتان تنبأ بهما ليف دافيدوفيتش لانداو وأليكسي أليكسيسيه أبريكوسوف.

عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي ضعيف على موصل فائق من النوع الثاني ، فإنه يصده تمامًا. إذا تم زيادته ، يصبح النظام غير مستقر ويبدأ في إدخال دوامات لتقليل طاقته. تتزايد هذه الدوامات من حيث العدد ، وتضع نفسها في شبكات دوامة يمكن ملاحظتها باستخدام التقنيات المناسبة. عندما يكون الحقل كبيرًا بما يكفي ، يكون عدد العيوب مرتفعًا لدرجة أن المادة لم تعد موصلة فائقة. هذا هو المجال الحرج الذي يمنع المادة من أن تكون فائقة التوصيل ، وهو يعتمد على درجة الحرارة.

الطابع الكهربائي للموصلات الفائقة

يرجع ظهور المغناطيسية الفائقة إلى قدرة المادة على تكوين تيارات فائقة. التيارات الفائقة هي التيارات من الإلكترونات التي لا يتم فيها تبديد الطاقة ، بحيث يمكن الحفاظ عليها إلى الأبد دون الانصياع لتأثير جول لفقدان الطاقة بسبب توليد الحرارة. تخلق التيارات مجالًا مغناطيسيًا قويًا ضروريًا للحفاظ على تأثير مايسنر. تسمح هذه التيارات نفسها بنقل الطاقة دون إنفاق طاقة ، وهو ما يمثل التأثير الأكثر بروزًا لهذا النوع من المواد.

نظرًا لأن عدد الإلكترونات فائقة التوصيل محدود ، فإن كمية التيار التي يمكن أن تحملها المادة محدودة. لذلك ، هناك تيار حرج تتوقف منه المادة عن كونها فائقة التوصيل وتبدأ في تبديد الطاقة.

في الموصلات الفائقة من النوع الثاني ، يتسبب ظهور الفيضانات في حدوث ذلك ، حتى بالنسبة للتيارات المنخفضة بشكل حاسم ، تم الكشف عن تشتت الطاقة بسبب اصطدام الدوامات مع ذرات الشبكة.

موصلات فائقة في درجات الحرارة العالية

نظرًا لدرجات الحرارة المنخفضة اللازمة لتحقيق الموصلية الفائقة ، فإن المواد الأكثر شيوعًا هي عادة ما يتم تبريدها بالهيليوم السائل (النيتروجين السائل مفيد فقط عند التعامل مع الموصلات الفائقة عالية السرعة). درجة الحرارة). يعتبر التجميع المطلوب معقدًا ومكلفًا ، حيث يتم استخدامه في تطبيقات قليلة ، مثل بناء مغناطيس كهربائي قوي للرنين المغناطيسي النووي (NMR).

في الثمانينيات ، تم اكتشافهم الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية ، والتي تظهر انتقال الطور عند درجات حرارة أعلى من انتقال بخار السائل للنيتروجين السائل. وقد أدى ذلك إلى خفض التكاليف في دراسة مثل هذه المواد ، وفتح الباب أمام وجود المواد الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة ، مما يعني ثورة في صناعة العالم المعاصر.

العيب الرئيسي للموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية هو تركيبتها الخزفية ، مما يجعلها غير مناسبة لصنع الكابلات عن طريق تشوه البلاستيك. ومع ذلك ، فقد تم تطوير تقنيات جديدة لإنتاج أشرطة مثل IBAD (الترسيب بمساعدة شعاع الأيونات). من خلال هذه التقنية ، تم تحقيق كابلات أطوال أكثر من كيلومتر واحد.

أمثلة على تطبيقات الموصلات الفائقة

يتصرف الموصل الفائق بشكل مختلف تمامًا عن الموصلات العادية. إنه ليس موصلًا تكون مقاومته قريبة من الصفر ، لكن المقاومة تساوي تمامًا الصفر. لا يمكن تفسير ذلك من خلال النماذج التقليدية المستخدمة في برامج التشغيل الشائعة ، مثل نموذج Drude.

المغناطيسات فائقة التوصيل هي بعض من أقوى المغناطيسات الكهربائية المعروفة. يتم استخدامها في قطارات الرفع المغناطيسي (maglev) ، وفي آلات الرنين المغناطيسي النووي (NMR) في المستشفيات ، وفي استهداف شعاع معجل الجسيمات. يمكن استخدامها أيضًا للفصل المغناطيسي ، حيث يتم سحب الجزيئات المغناطيسية الضعيفة من خلفية ذات جسيمات أقل أو غير مغناطيسية ، كما هو الحال في صناعات الأصباغ.

كما تم استخدام الموصلات الفائقة في صناعة الدوائر الرقمية وترددات الراديو ومرشحات الميكروويف لمحطات قواعد الهواتف المحمولة.

تُستخدم الموصلات الفائقة لبناء تقاطعات جوزيفسون ، وهي اللبنات الأساسية لـ الحبار (أجهزة التداخل الكمي فائقة التوصيل) ، أكثر مقاييس المغناطيسية شهرة حساس.

اعتمادًا على وضع التشغيل ، يمكن استخدام تقاطع جوزيفسون ككاشف للفوتون أو كخلاط. يستخدم التغيير الكبير في مقاومة الانتقال من الحالة الطبيعية إلى حالة التوصيل الفائق لبناء موازين الحرارة في كاشفات الفوتون المبردة.

تشمل التطبيقات المبتكرة والتطلعية محولات عالية الأداء ، تخزين الطاقة ونقل الطاقة الكهربائية والمحركات الكهربائية وأجهزة الرفع مغناطيسي.

ومع ذلك ، فإن الموصلية الفائقة حساسة لتحريك المجالات المغناطيسية حتى التطبيقات سيكون استخدام التيار المتردد ، مثل المحولات ، أكثر صعوبة في صنعه من تلك التي يتم تغذيتها بالتيار واصل التقدم.

أمثلة على المواد فائقة التوصيل

يمكن أن تكون معادن ، مثل:

1. رصاص
2. تين
3. الزركونيوم
4. الزئبق
5. التنغستن
6. الزنك
7. إيريديوم
8. الفاناديوم
9. التيتانيوم
10. الليثيوم
11. الباريوم
12. البريليوم
13. الكادميوم
14. كروم.

يمكن أن تكون غير معادن أو أشباه فلزات ، مثل:

1. البورون
2. الكالسيوم
3. كربون
4. السيليكون
5. تطابق
6. الأكسجين
7. كبريت
8. السيلينيوم
9. الزرنيخ
10. البروم
11. هندي
12. الثاليوم
13. البزموت