بررسی خواص و تئوری های مواد ابررساناها و کابرد های آن در صنعت برق جهان و ایران

مقاله کامل  بررسی خواص و تئوری های مواد ابررساناها و کابرد های آن در صنعت برق جهان و ایران با فرمت word+pdf، از این مقاله میتوانید در سمینار، مقالات و پایان نامه خود استفاده نمایید. این موضع دارای منابع معتبر رفرنس ها و پاورقی میباشد و بر اساس سیستم پایان نامه نویسی طراحی شده است.

چکیده

در این مقاله ابتدا به معرفی پدیده ابررسانایی و تئوریهای شناخته شده آن پرداخته شده است. با توجه به گسترش روزافزون مصرف انرژی در جهان و روند روبه‌کاهش منابع انرژی، استفاده از این مواد که با تلفات کمتر و راندمان بیشتر ما را در مصرف بهینه انرژی یاری می‌نمایند بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در کشور ما ایران نیز که با مسائل فراوانی در زمینه تولید و انتقال انرژی مواجه است آشنایی با این تکنولوژی جدید و بررسی استفاده بهینه آن می‌تواند بسیار راهگشا باشد. بدین منظور کاربردهای حال و آینده این تکنولوژی در زمینه سیستم‌های قدرت، الکترونیک، مهندسی پزشکی ،‌ مخابرات و حمل و نقل و…  بررسی شده است. همچنین با توجه به اطلاعات جمع‌آوری شده در زمینه کاربرد مواد ابررسانایی و نیز نیازهای صنعت برق کشور، موارد استفاده بهینه این ادوات در ایران معرفی می‌شود.خواص تئوری ابررسانا برق

مقدمه

ابررسانایی پدیده‌ای است که در دماهای بسیار پایین برای برخی از مواد رخ می‌دهد. در حالت ابررسانایی مقاومت الکتریکی ماده دقیقاً صفر می‌شود و ماده خاصیت دیامغناطیس کامل پیدا می‌کند؛ یعنی میدان مغناطیسی را از درون خود طرد می‌کند. طرد میدان مغناطیسی تنها تفاوت اصلی ابررسانا با رسانای کامل است، زیرا در رسانای کامل انتظار می‌رود م میدان مغناطیسی ثابت بماند، در حالی که در ابررسانا میدان مغناطیسی همواره صفر است. مقاومت الکتریکی یک رسانای فلزی به تدریج با کاهش دما کم می‌شود. در رساناهای معمولی مثل مس و نقره، وجود ناخالصی و مشکلات دیگر این روند را کند می‌کند. به‌طوری‌که حتی در صفر مطلق هم نمونه‌های معمول مس همچنان مقاومت الکتریکی کمی دارند. در مقابل ابررساناها موادی هستند که اگر دمایشان از یک دمای بحرانی کمتر شود، ناگهان مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهند. جریانی از الکتریسیته در یک حلقه  ابررسانا می‌تواند برای مدت نامحدودی بدون وجود مولد جریان وجود داشته باشد. مانند پدیده  فرومغناطیس و خطوط طیفی اتمها، ابررسانایی نیز پدیده‌ای کوانتومی است. هر چند یک تئوری جهانشمول برای اَبَررسانایی وجود ندارد؛ و نمی‌توان آن را با فیزیک کلاسیک به مانند یک رسانای مطلوب توصیف کرد.

پدیده ابررسانایی برای طیف وسیعی از مواد مانند قلع و آلومینیوم وجود دارد. همچنین برخی آلیاژها و نیمه‌رساناها نیز ابررسانا هستند، ولی فلزاتی مثل طلا و نقره این پدیده را از خود نشان نمی‌دهند؛ همچنین پدیده ابررسانایی در فلزات فرومغناطیس هم روی نمی‌دهد. برخلاف باتری های معمولی، ابر رسانا ها می توانند در عرض چند ثانیه شارژ شوند و همچنین چرخه شارژ برای ابر رسانا ها در الکترونیک با مقاومت نامحدود همراه می باشد. این دسته از ابزار دارای چگالی بیشتری نسبت به خازن های معمولی دارند ولی چگالی آن ها به نسبت باتری های استانداردی که در محصولات الکترونیکی IoT استفاده می شود، کمتر است.  اگر بخواهیم از دید تئوری به جایگزینی باتری های معمولی با ابر رسانا ها نگاه کنیم، این امر در علم الکترونیک امکان پذیر می باشد. این در حالی است که جایگزینی کل باتری ها نیاز به حجم زیادی از ابر رسانا ها دارد و به دلیل پیشرفت مداوم علم الکترونیک در این زمینه، شاهد آن هستیم که در بازار وسایل و ابزار الکترونیک مانند بخش خودروسازی کشش استفاده از ابر رسانا ها بسیار زیاد است و امکانات جدیدی در صنایع تازه تاسیس شده مانند ذخیره انرژی به صورت شبکه ای به وسیله ابر رسانا ها ارائه شده اند.ابر رسانا که گاها به عنوان [1]SC مخفف کلمه SuperCapacitors نیز شناخته می شود، ابزار الکترونیک شیمیایی هستند که توانایی ذخیره سریع و زیاد بار الکترونیکی را بدون خراب شدن ناشی از عملکرد بالا نشان می دهند. انرژی الکتریکی را با سرعت بالا ذخیره سازی و تامین می کنند.

اگر بخواهیم ساده ترین ابر رسانا ها در علم الکترونیک را معرفی کنیم، این ابزار از دو الکترود و یک الکترولیت درون آن تشکیل می شوند که بارهای الکتریکی در رابط میان الکترود و الکترولیک مرتب شده است و هیچ فرآیندی مبنی بر کاهش اکسیداسیون شیمیایی در آن وجود ندارد. به این دلیل که فرآیند فیزیکی انباشت بار الکتریکی محدود است، مواد باید سطح بالایی داشته باشند تا بار الکتریکی در آن ها ذخیره سازی شود. ابر خازن ها، خازن های دو لایه ای هستند که ظرفیت بسیار بالا ولی ولتاژ بسیار کمی دارند. ابر خازن ها محدودیت کمتری برای ذخیره شارژ بیشتر در محدوده فاراد هستند و می توانند انرژی بیشتری را به نسبت به خازن های الکترولیتی ذخیره سازی نمایند. ابر خازن ها نشتی بسیار کمی دارند و برای ابزار مختلف که نیاز به برق مابین ۱.۸ تا ۲.۵ ولت دارند می توانند کارایی بالایی داشته باشند. عمر این سری از محصولات مابین ده الی بیست سال است و از حدود ۸ تا ۱۰ سال کار، حدود بیست درصد از توان کاری خود را از دست می دهند.

به لطف برخورداری این مقاومت سری معادل بسیار کم ESR، ابر رسانا ها جریان های پر بار و امکان شارژ سریع را فراهم می آورند. میکرو ابر رسانا های مورد استفاده در دستگاه MEMES که به صورت خم طراحی شده اند و برای کاربرد های مختلف مانند گجت های پوشیدنی می توانند گزینه ای مناسب باشند. شیشه های مورد استفاده در این ابر رسانا های الکترونیک، حالت جامد دارند و انعطاف پذیری بالایی دارند. همچنین بر اساس سیلیکون و کاغذ تولید می شوند. زمانی که یک جریان ولتاژ به ابر رسانا اعمال می شود، دو لایه شارژ مجزا روی سطح با فاصله ایجاد شده تولید می شود که نسبت به سایر خازن های قدیمی کوچکتر است و به همین دلیل بیشتر ابر رسانا ها در دنیای الکترونیک به عنوان خازن های برقی دو لایه یا EDLC شناخته می شوند.

تفاوت بین ابر رسانا ها و باتری ها

باتری ها مدت زمان طولانی در بازار به عنوان ذخیره ساز انرژی استفاده می شده اند. در این قسمت به شما خواهیم گفت که در علم الکترونیک، چگونه می توانیم از خازن های جدید استفاده کنیم؟ در جواب به این سوال باید گفت که اولین مورد، باتری ها به تدریج توانایی شارژ مجدد خود را از دست می دهند و این در حالی است که چرخه خازن های ابر رسانا در علم الکترونیک شارژ و تخلیه بی پایان دارد. دومین مورد، خازن ها به نسبت باتری ها در اینترنت اشیاء مکانیسم تامین انرژی را بر عهده دارند و امکان استفاده از این وسایل قدرتمند برای ذخیره سازی انرژی در یک تراشه (چیپست) الکترونیک، یک نیاز اساسی به شمار می رود. سومین مورد، خازن ها به نسبت باتری ها از مقاومت داخلی بسیار کمتری برخوردار هستند و انرژی آن ها نسبت به باتری ها بیشتر است.

به طور کلی می توان گفت که ابر رسانا ها و میکرو باتری ها دو ابزاری هستند که می توانند این نیازها را برای شما برآورده کنند. باتری های لیتیوم یون به طور کلی در تمامی دستگاه های الکترونیکی قابل حمل مدرن و همچنین در تمامی اتومبیل های برقی مورد استفاده می باشند. در مورد باتری ها می توان گفت که روند شارژ و تخلیه در این دسته از باتری ها کند است و با گذشت زمان، ترکیبات شیمیایی که در باتری استفاده شده است، باعث کاهش تراکم الکتریک و ظرفیت ذخیره سازی می شود که در علم الکترونیک می تواند بسیار مفید باشد.

اما در این سو یک ابر رسانا از مکانیسم متفاوتی برای ذخیره سازی نیرو استفاده می کند. در ابر رسانا ها، انرژی به صورت الکترو استاتیک در سطح ماده ذخیره سازی می شود و واکنش های شیمایی به این منظور مورد نیاز نمی باشد. ابر رسانا ها از مکانیسمی متفاوت برای ذخیره سازی انرژی استفاده می کنند. در ابر رسانا ها، انرژی به شکل الکترواستاتیک در سطح ماده ذخیره سازی می شود و واکنش های شیمایی در این روش الکترونیک برای ذخیره سازی انرژی استفاده می شود. هزینه های مربوط به تولید مواد مورد نیاز در مواد ابر رسانایی (مثل گرافن) بیشتر از موادی که برای ساخت باتری های معمولی است نمی باشد.

پیشینه تاریخی تحقیقات :

در سال 1911 یک دانشمند هلندی به نام هیک کامرلینگ انسHeike Kamerlingh Onnes  که بر روی اثر دماهای خیلی پایین بر خواص فلزات مطالعه می‌کرد کشف کرد که اگر جیوه تا دمای  4.15^° K  سرد شود مقاومت الکتریکی آن به‌طور چشم‌گیری افت می‌کند و با خطایی کمتر از 10^-17 برابر صفر است.  در سال 1933 مواد ابررسانایی کشف شده بود که دمای بحرانی آنها حدود 10 درجه کلوین بود ولی اتفاق بسیار مهمتری در در سال ۱۹۳۳ افتاد کشف خاصیت دوم ابررساناها توسط دو فیزیکدان آلمانی به نامهای مایسنر[Meissner] و اوخنفلد[Ochsenfield]  بود، آنها دریافتند که مواد ابررسانا در یک دمای بحرانی (‍T_c) علاوه بر رسانای کامل بودن دارای خاصیت اساسی دیگری نیز می‌باشند و آن خاصیت دیامغناطیس کامل بودن آنهاست یعنی ابررسانا تا یک حد مشخص به نام شدت میدان مغناطیسی بحرانی (B_c) چنان رفتار می‌کند که میدان مغناطیسی خارجی را طرد می‌کند. کشف این خاصیت موجب شد که ابررسانایی یک مشخصه مجزا در علم مهندسی داشته باشد و دیگر به عنوان حالت حدی مقاومت مواد مطرح نباشد.  در سالهای بعد مواد دیگری با دماهای بحرانی بالاتر کشف شد. دانشمندان امیدوارند که در آینده‌ای نه چندان دور با کشف مواد ابررسانای جدید، دمای بحرانی را به دمای اتاق برسانند [1].

در سال ۱۹۳۵ فریتز و هاینز لندن نشان دادند که اثر مایسنر نتیجه‌ای از کمینه‌بودن انرژی آزاد الکترومغناطیسی حمل‌شده توسط جریان‌های ابررسانا است. در سال ۱۹۵۰ تئوری جدیدی به نام (Ginzburg-Landau) توسط لو لانداو[Landau] و گینزبرگ[Ginzburg] مطرح شد. این تئوری که ترکیبی از تئوری مرتبه دوم لو لانداو با معادله موج اروین شرودینگر می‌باشد دارای توضیح خوبی درباره مشخصه و خواص ابررساناها است. بخصوص ابریکسوف[Abrikosov] نشان داد که تئوری Ginzburg-Landau پیشبینی تقسیم‌بندی ابررساناها را به دو دسته نوع۱ type۱ و نوع۲ type۲ را کرده بود. همچنین سال ۱۹۵۰ ماکسول [Maxwell]و رینولدز[Reynolds]  در جای دیگر یافتند که دمای بحرانی ابررساناها به جرم ایزوتوپی جزء اصلی عنصر بستگی دارد. این کشف مهم اشاره دارد به اثر متقابل الکترون و فونون lectron-phonon در نتیجه مکانیزم میکروسکوپی مسئول برای ابررسانایی.

ابررسانایی پدیده‌ای است که در دماهای بسیار پایین برای برخی از مواد رخ می‌دهد. در حالت ابررسانایی مقاومت الکتریکی ماده صفر می‌شود و ماده خاصیت دیامغناطیس کامل پیدا می‌کند، یعنی میدان مغناطیسی را از درون خود طرد می‌کند. طرد میدان مغناطیسی تنها تفاوت اصلی ابررسانا با رسانای کامل است، زیرا در رسانای کامل انتظار می‌رود میدان مغناطیسی ثابت بماند، در حالی که در ابررسانا میدان مغناطیسی همواره صفر است.

مقاومت الکتریکی یک رسانای فلزی به تدریج با کاهش دما کم می‌شود. در رساناهای معمولی مثل مس و نقره، وجود ناخالصی و مشکلات دیگر این روند را کند می‌کند. به طوری که حتی در صفر مطلق هم نمونه‌های معمول مس همچنان مقاومت الکتریکی کمی دارند.  در مقابل ابررساناها موادی هستند که اگر دمایشان از یک دمای بحرانی کمتر شود، ناگهان مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهند. جریانی از الکتریسیته در یک حلقه ابررسانا می‌تواند برای مدت نامحدودی بدون وجود مولد جریان وجود داشته باشد. مانند پدیده  فرومغناطیس و خطوط طیفی اتم‌ها، ابررسانایی نیز پدیده‌ای کوانتومی است۔، هر چند یک تئوری جهانشمول برای اَبَررسانایی وجود ندارد؛ و نمی‌توان آن را با فیزیک کلاسیک به مانند یک رسانای مطلوب توصیف کرد.  . در سال ۱۹۸۶ ابررسانایی دمای بالا کشف شد. دمای بحرانی این ابررساناها بیش از ۹۰ کلوین است. نظریه‌های کنونی ابررسانایی نمی‌توانند ابررسانایی دمای بالا را، که به ابررسانایی نوع ۲ (Type II) معروف است، توضیح دهند. از نظر عملی ابرساناهای دمای بالا کاربردهای بسیار بیشتری دارند، زیرا در دماهایی ابررسانا می‌شوند که راحت‌تر قابل ایجاد هستند. پژوهش برای یافتن موادی که دمای بحرانی آن‌ها باز هم بیشتر باشد، و همچنین برای یافتن نظریه‌ای برای توضیح ابررسانایی دمای بالا همچنان ادامه دارد.

 تئوریهای ابررسانایی

تئوری کامل میکروسکوپی ابررساناها در سال ۱۹۵۷ توسط آقایان Bardeen و Cooper و Schrhffer  نظریه BCS  را برای توجیه پدیده ابررسانایی ارائه کردند.  این اولین نظریه اساسی و قابل قبولی بود که تا آن زمان پیشنهاد شده بود. که مستقلاً پدیده ابررسانایی توسط Nikolay Bogolyubov توضیه میداد. همچنین جریان ابررساناها را به عنوان ماده‌ای با هدایت فوق‌العاده زیاد با زوجهای کوپر توضیح می‌دهد. (اثر متقابل جفتهای الکترون در مبادله فونون). تئوری به عنوان ستون و پایه در سال ۱۹۵۸ قرار گرفت زمانی که  دانشمند بوگالیبو [Bogolyubov]نشان داد که تابع موج BCS که استنتاج شده از یک استدلال متغیر است و می‌تواند بدست بیاید با تغییر قانونی و متعارف تئوری الکترونیک Hamiltonian. در سال ۱۹۵۹  دانشمند گورکواLev Gorkov] اثبات کرد که تئوری BCS نزدیک به تئوری Ginzburg-Landau است و نزدیک به دمای بحرانی است. در سال ۱۹۶۲ اولین سیم تجاری ابررسانا از آلیاژ نیوبیم- تیتانیم (niobium-titanium) در  شرکت وستینگ هاوس[Westinghouse] تحقیق شد. در همین سال اقای جوزفسون[Josephson] مهمترین پیش بینی تئوریکی را انجام داد که چنین بود: یک ابر جریان می‌تواند از بین دو قطعه ابررسانا که با یک لایه نازک ایزوله شده‌اند جاری شود. این پدیده اثر جوزفسون (effect Josephson) نام دارد که استخراج شده از دستگاه ابررساناها مثل SQUID’s می‌باشد که دقیقترین دستگاه اندازه‌گیر شار مغناظیسی کوانتوم موجود می‌باشد h( ثابت پلانک) است .دانشمند اقای جوزفسون برنده جایزه نوبل در سال ۱۹۷۳ گردید.

در تاریخ دسامبر سال  1986 فیزیک‌دان‌ها بر این باور بودند که تئوری BCS ابررسانایی را در دماهای بالاتر از ۳۰˚k را نفی می‌کند، در همین سال بدنورز[Bednorz] و مولر[muller] کشف کردند که ابررسانایی در عناصر لانتان که بر پایه اکسید مس (cuprate) هستند دارای دمای تبدیل ۳۵˚K می‌باشند. (در سال ۱۹۸۷ برنده جایزه نوبل فیزیک شدند.  در مدت کوتاهی توسط M.K. Wu کشف شد که جایگزین کردن لانتان با ایتریم و ساختن YBCO دمای بحرانی تا ۹۲˚K بالا می‌برد که بسیار مهم است چون برای سرد کردن ابررسانا می‌توان از نیتروژن مایع استفاده کرد (دمای جوش نیتروژن مایع در فشار جو ۷۷˚K است). این امر از نظر تجاری بسیار مهم است چون تولید نیتروژن مایع ارزانتر و در همان محل با مواد اولیه قابل تولید است و به بعضی از مشکلات برخورد نمی‌کنیم از قبیل آب بندی لوله‌های تزریق هلیوم. در نتیجه دمای بحرانی ابررساناها به 39 درجه کلوین افزایش یافت در فوریه سال 1987 اقای چو[Chu  ] و دستیارانش در دانشگاه هوستون کشف ماده جدید سرامیکی متشکل از ایتریوم – باریوم – اکسید مس ( ‌Y₁Ba₂Cu₃O₇ ) با دمای بحرانی  92˚ K که 15˚K بالاتر از نقطه جوش ازت مایع است را گزارش دادند.

 این کشف از دو جهت اهمیت داشت یکی آنکه دمای بحرانی ماده جدید بالاتر از نقطه جوش ازت بود و این امر باعث می‌شد که در ابررساناهای جدید به جای استفاده از هلیوم مایع که تهیه آن بسیار دشوار و قیمت آن بسیار زیاد بود از نیتروژن مایع که تهیه و سرد کردن آن به مراتب راحت‌تر است استفاده شود،  دیگر آنکه خانواده جدیدی از ترکیبات سرامیکی ساخته شده بود که می‌توانست راه‌گشای شناخت مواد ابررسانایی آینده باشد. این امر باعث شد تا جایزه نوبل فیزیک به مولر و بدنورز به علت کشف خانواده جدید ابررسانا داده شود.  این اقدامات باعث سیر سریع در تکنولوژی ابررساناها گردید به قسمی که امروزه به ابررساناهایی به صورت لایه نازک در دمای اتاق دست یافته‌اند ولی متأسفانه این وضعیت پایدار نیست و پس از دو هفته دمای بحرانی کاهش می‌یابد یا چگالی جریان سطحی که از این نوع ابررساناها می‌تواند عبور کند و موجب تخریب نشود محدود می‌گردد. از تاریخ اکتبر ۲۰۰۷ بالاترین دمای ابررسانایی مربوط به ماده‌ای مرکب از تالیوم، جیوه، مس، باریم، کلسیم، اکسیژن با دمای بحرانی Tc=۱۳۸˚K می‌باشد.  در فوریه ۲۰۰۸ خانواده دیگر ابررساناهای دما بالا کشف شد. اقای هوسونHideo Hosono] از انستیتو تکنولوژی توکیو کشف کرد که lanthanum oxygen fluorine iron arsenide (LaO1-xFxFeAs) در دمای ۲۶˚K تبدیل به ابررسانا می‌شود. بعد از مدت کوتاهی دیگران مواد دیگری از همین خانواده یافتند که در دمای ۵۵˚K به ابررسانا تبدیل می‌شوند. متخصصان امیدوارند که بررسی خانواده  دیگری از ابررساناها باعث آسانتر شدن توضیح عملکرد این مواد خواهد شد.

نارساناها، نیمه رساناها و رساناها

به طور مثال طلا و نقره رسانایی خوبی دارند، ولی چوب و پلاستیک رسانایی ندارند و موادی مانند سیلیسم و ژرمانیوم جزء نیمه رسانا می‌باشند که جریان الکترومغناطیسی و ترمودینامیکی روی اینها تأثیر جزئی می‌گذارند و در مقابل جریان رسانایی مقاومت وجود دارند که مانع انتقال جریان انرژی الکتریکی می‌شود. برای کم کردن مصرف انرژی و کارایی بالاتر و ارزانی وسایل باید دنبال موادی باشیم که مقاومت خیلی خیلی کمی در برابر جریان انرژی الکتریکی داشته باشند و تقریباً برابر مقاومت صفر باشند (ابر رسانا). در بعضی مواد وقتی به این حالت می‌رسیم که آن مواد در دمای ویژه‌ای قرار بگیرند که جریان دائماً در آنها برقرار باشد.

هنوز هیچ نظریه‌ای که بتواند همه  انواع مشاهده‌شده  ابررسانایی را توصیف کند، وجود ندارد. اصول پایه‌ای ابررسانایی در سال ۱۹۵۷ توسط سه فیزیکدان آمریکایی (جان باردین، رابرت شریفر و لئون کوپر) توضیح داده شد و به نام این سه فیزیکدان نظریه  BCS نام گرفت.

1. جیمز دئِور در اواسط قرن نوزدهم پژوهش‌هایی درباره تغییر مقاومت در دماهای پایین انجام داد.

2. زیگموند روبلوفسکی و کارل اولزفسکی در سال ۱۸۶۴ بررسی درباره کاهش مقاوت الکتریکی با روشی که بتوان اکسیژن و نیتروژن را مایع کرد، انجام دادند.

3. دِئور و فلمینگ درباره صفر شدن مقاومت (تقریباً صفر) در دمای مطلق، پژوهش‌هایی را انجام دادند.

4. والتر نرست با توجه به قانون سوم ترمودینامیک اظهار داشت که به هیچ وجه نمی‌توان مقاوت مواد را صفر کرد.

5. کارل لیند و ویلیام همپسون آلمانی نیز روشی جدید برای خنک سازی و مایع کردن گازها با افزایش فشار را کشف کردند.خواص تئوری ابررسانا برق خواص تئوری ابررسانا برق خواص تئوری ابررسانا برق خواص تئوری ابررسانا برق خواص تئوری ابررسانا برق خواص تئوری ابررسانا برق

ابر رساناها و تکنولوژی

مهترین کاربرد ابررساناهای دمای بالا، در زمینه ساخت آی سی‌های خیلی سریع می‌باشد که تحول بزرگی در فناوری اطلاعات ایجاد می‌کند و می‌توان آن را با اختراع ترانزیستور‌ها مقایسه کرد. از کاربردهای دیگر ابررساناها با در نظر گرفتن حساسیتشان به میدان مغناطیسی در اکتشافات معدنی، زمین شناختی و ردیابی زیردریایی‌ها می‌توان استفاده کرد و همچنین در ساخت قطارهایی که با استفاده از خاصیت میدان مغناطیسی قطار را بالاتر از سطح زمین و بدون اصطکاک با ریل به حرکت درمی آورد. این قطار‌ها می‌توانند در کمتر از ۱ ساعت مسافتی بیش از ۵۰۰ کیلومتر را بپیمایند. در خطوط انتقال نیرو با در نظر گرفتن اینکه بتوان ابررساناها را سرد نگه داشت، در حدود ۸۰ درصد در مصرف انرژی صرفه جویی می‌شود. همچنین در وسایل پزشکی و تحقیقاتی نیز کاربرد دارد.

 تفاوت بین ابر رساناهای سرامیکی و فلزی

تفاوت بین ابر رساناهای سرامیکی و فلزی این است که برای سرد نگه داشتن ابر رساناهی سرامیکی می‌توان از نیتروژن که ارزان و فراوان است استفاده نمود در صورتیکه در ابر رساناهای فلزی باید هلیم که مایع است استفاده کرد.

خواص ابررساناها

بیشتر خواص ابررساناها از ماده‌ای به ماده  دیگر تغییر می‌کند. خواصی مانند ظرفیت گرمایی و دمای بحرانی. اما گذشته از این‌ها، دسته  خاصی از خواص تمام ابر رساناها مشترک است، از جمله این که در دماهای بسیار پایین، مقاومت خود را به کلی دربرابر جریان از دست می‌دهند و همچنین دیگر هیچ میدان مغناطیسی داخلی در آن‌ها وجود نخواهد داشت. با توجه به چنین خواص مشترکی می‌توان ابررسانایی را یک فاز(ماده)فاز ترمودینامیکی برای ماده دانست. ابررسانا شدن را می‌توان گذار فازی به فاز دیگر قلمداد کرد. چیزی همانند تغییر حالت آب از مایع به گاز و یا برعکس.

مهمترین خواص ابر رساناها

1. مقاومت تقریباً صفر و توانایی عبور چگالی جریان بالا. رسانایی که مقاومت تقریباً صفر دارد در زمینه تولید و انتقال انرژی تأثیر بسزایی دارد و باعث صرفه جویی در مصرف انرژی می‌شود. همچنین باعث افزایش چگالی جریان می‌شود، البته باید توجه داشت که افزایش چگالی جریانی بیش از حد معینی باعث افزایش مقاومت می‌شود. [3]

2. ایجاد میدان مغناطیسی بسیار قوی. خاصیت ابر رسانایی به ۳ [فاکتور] دما، شدت جریان عبوری و میدان مغناطیسی وابسته است. به طور مثال در دمای خیلی پایین خاصیت ابر رسانای جسم ممکن است به دلیل میدان مغناطیسی قوی از بین برود، که به مقدار میدان مغناطیسی ای که در آن خاصیت ابر رسانایی از بین می‌رود میدان بحرانی گفته می‌شود.

ابر رساناها از نظر رفتار فیزیکی به دو گروه تقسیم می‌شوند که بیشتر عناصر شامل گروه اول می‌شوند ولی آلیاژ‌ها و مقدار کمی از عناصر شامل گروه دوم می‌شوند. اختلاف گروه اول با گروه دوم در تعداد ناحیه و فواصل بین اکترون‌های آزاد می‌باشند؛ گروه اول دارای دو ناحیه و فاصله الکترون‌های آزاد آن کم می‌باشد؛ ولی گروه دوم دارای ۳ ناحیه هستند ولی فاصله الکترون‌های آزاد آنها زیاد است.

1. خاصیت تونل زنی. به انتقال جریان الکتریکی از یک ابر رسانا به ابر رسانای دیگر در صورتی که نزدیک هم باشد گفته می‌شود. این انتقال انرژی در صورتی است که ولتاژی وجود ندارد ولی به میدان مغناطیسی وابسته است. [4]

مقاومت صفر در برابر جریان

یکی از راه‌های ابتدایی برای سنجش مقاومت الکتریکی مواد، قرار دادن آنها در یک مدار به همراه یک منبع تغذیه و سپس اندازه‌گیری ولتاژ و آمپر و سنجش مقاومت از فرمول زیر است.

اگر اختلاف پتانسیل صفر باشد، بدین معنی خواهد بود که مقاومت رسانا در برابر جریان صفر است و آن ماده یک ابررسانا است. ابررساناها می‌توانند جریانی را بدون وجود ولتاژ عامل، حفظ کنند. خاصیتی که در آهنرباهای ابررسانا استفاده می‌شود که کاربرد وسیعی دارند. برای مثال از این آهنرباها در دستگاه MRI استفاده می‌شود. آزمایش‌های گوناگون نشان می‌هد حلقه‌ای از ابررساناها می‌تواند برای سالها جریان را بدون هیچ افت قابل اندازه‌گیری حفظ کند. آزمایش‌های عملی نیمه عمر جریان را در چنین مدارهایی بیش از صد هزار سال برآورد می‌کنند و به صورت تئوری جریان در حلقه‌ای ابررسانا، می‌تواند تا مدت زیادی باقی بماند مدتی که حتی از عمر جهان هم بیشتر خواهد بود! در رساناهای معمولی، جریان الکتریکی را می‌توان به صورت شار الکترون‌ها در یک شبکه  یونی تصویر کرد. الکترون‌ها در این حرکت به طور پیوسته در حال برخورد با شبکه  یونی هستند. در این برخوردها بخشی از انرژی الکترون توسط شبکه  یونی به گرما تبدیل می‌شود که در واقع همان انرژی جنبشی شبکه  یون است.

در نتیجه بخشی از انرژی الکترون‌ها در واقع هدر می‌رود. این حالت را مقاومت الکتریکی می‌نامیم. اما وضع در ابررساناها به گونه‌ای دیگر است. در ابررساناهای معمول نمی‌توان جریان را به تک الکترون‌های جاری نسبت داد. در عوض می‌توان جریان را حاصل جفت الکترون‌های کوپر دانست که به هم وصل می‌شوند و با تعویض فونون‌های خود، کاملاً در کنار هم می‌مانند. طبق نظریه  مکانیک کوانتومی طیف انرژی این جفت کوپر دارای حداقل سطح خاص است و از آن کمتر نمی‌تواند باشد. [1]

 در نتیجه ΔE حاصل را که می‌توان آن را حداقل میزان انرژی جفت کوپر دانست، می‌تواند تنها دو حالت برای جفت کوپر و در نتیجه جریان پدید آورد. یا مقدار ΔE از مقدار kT که انرژی شبکه  یونی است و در آن k ثابت بولتزمن و T هم دمای شبکه است؛ بیشتر است که در این حالت جریان توسط شبکه  یونی به هدر نمی‌رود و این یعنی جفت کوپر یک ابرشار را پدید می‌آورد که می‌تواند بدون افت انرژی از شبکه  یونی عبور کند.

در مواد ابررسانا، پدیده  ابررسانایی زمانی ظهور می‌کند که دمای ماده، T از مقدار بحرانی، کمتر شود. مقدار دمای بحرانی از ماده‌ای به ماده  دیگر متفاوت است. دمای بحرانی ابررساناهای معمول چیزی بین ۲۰ کلوین تا زیر یک کلوین است. برای نمونه، دمای بحرانی جیوه ی جامد ۴٫۲ کلوین است ولی دمای بحرانی منیزیم دی بورید ۳۹کلوین است. گرچه این ماده خواصی چنان دارد که نمی‌بایست آن را در دسته  ابررساناهای معمول جای داد. ابررساناهای ترکیبی می‌توانند دمایی بحرانی بسیار بالاتری داشته باشند. برای مثال ایتربیم باریم مس اکسید یا YBa2Cu3O۷ ابررسانایی است که دمای بحرانی آن ۹۲ کلوین است و درواقع اولین ابررسانای دمای بالا بود که کشف شد. همچنین ابررساناهای دمای بالای دیگری بر پایه  جیوه کشف شده‌اند که دمای بحرانی آنها نزدیک ۱۴۰ کلوین است. هنوز هیچ نظریه‌ای قادر به توضیح چگونگی پدید آمدن ابررساناهای دمای بالا نبوده‌است. تعویض فونون می‌تواند نوع عملکرد ابررساناهای معمول را توضیح دهد اما برای ابررساناهای با دمای بحرانی بسیار بالا نمی‌توان از این تئوری هم استفاده کرد.

شروع پدیده ابررسانایی با تغییرات زیادی در خواص فیزیکی ماده همراه است که به همین سبب آن را فاز جدیدی می‌نامند. برای مثال ظرفیت گرمایی ماده از قوانینی تبعیت می‌کند که در زمان ابررسانا نبودن ماده وجود دارند. در گذر به فاز ابررسانایی، ظرفیت گرمایی ماده ناگهان پرشی با بالا می‌کند و سپس به صورت خطی کم و کمتر می‌شود تا به کلی از بین برود. در دمای پایین این تغییرات به صورت است که α در آن ثابت است و این خود نشان می‌دهد که گاف انرژی وجود دارد. تغییر فاز به ابررسانایی مدت زیادی مورد بحث بین دانشمندان بوده‌است. در حالی که آزمایش‌ها نشان می‌دادند که این تغییر از مرتبه  دوم است، بدین معنی که گرمای نهانی در این تغییر وجود ندارد، در دهه  ۱۹۷۰ محاسبات این احتمال را مطرح کردند که شاید این تغییر وضعیت را بتوان با لحاظ کردن نوسانات بلند برد در میدان مغناطیسی، تغییر فازی نوع اول به حساب آورد. به تازگی با کمک نظریه  آشوب است که مشخص شده خطوط مارپیچ ابررسانا در این بین نقشی عمده دارند و این گذار حالت برای ابررساناهای نوع دوم گذری از مرتبه  دوم و برای ابررساناهای نوع اول، گذری از مرتبه  اول است.

ابرسانایی نوع ۱ و نوع ۲

اگر میدان مغناطیسی خیلی قوی باشد، اثر مایسنر از بین می‌رود. همین پدیده ابررساناها را به دو نوع تقسیم می‌کند: در ابررساناهای نوع ۱ (Type I) اگر میدان مغناطیسی از یک حد آستانه ( ) بیشتر شود، ابرسانایی ناگهان از بین می‌رود. بسته به شکل هندسی نمونه، ممکن است حالت‌های میانی‌ای هم ایجاد شوند که در آن ناحیه‌های عادی (که در آن‌ها میدان وجود دارد) و ناحیه‌های ابرسانا (که میدان درون‌شان صفر است) هم‌زمان وجود داشته باشند. در ابررساناهای نوع ۲ (Type II) اگر میدان مغناطیسی از حد بیشتر شود، حالت مخلوطی ایجاد می‌شود که در آن شار مغناطیسی روبه‌افزایشی از ماده می‌گذرد، ولی مقاومت ماده، اگر جریان خیلی زیاد نباشد، همچنان صفر باقی می‌ماند. در حد دوم از میدان مغناطیسی ابررسانایی از بین می‌رود. بیشتر ابررساناهایی که عنصر ساده هستند (به جز نیوبیوم، تکنسیوم، وانادیوم و نانولوله‌های کربنی) نوع ۱ هستند، و تقریباً همه  ابررساناهای ناخالص و ترکیبی نوع ۲ هستند.

اثر مایسنر[Meissner effect]

زمانی که یک ابررسانا در یک میدان مغناطیسی ضعیف خارجی قرار می‌گیرد. میدان فقط به مقدار ناچیز λ در داخل ابررسانا نفوذ کند که به آن عمق نفوذ لندن (London penetration depth) می گویندکه با گذشت زمان این مقدار به صفر می‌رسد. به این پدیده اثر مایسنر می‌گویند و این اثر مشخصه  ویژه  ابررسانا را مشخص می‌کند. برای بیشتر ابررساناها عمق نفوذ لندن تقریباً در حدود ۱۰nm می‌باشد. اثر مایسنر در بعضی در مقابل انتظاری که از یک رسانای الکتریکی ایده‌آل می‌رود مواقع گیج کننده می‌باشد. مطابق قانون لنز وقتی که تغییرات میدان بر یک رسانا اعمال می‌شود در هادی جریانی القاء می‌شود که جهت این میدان در خلاف جهت میدان به وجود آورنداش است. در رسانای ایده‌آل جریان بزرگی در هادی القاء می‌شود که نتیجه‌اش خنثی کردن میدان اصلی می‌باشد. اثر مایسنر با بحث بالا متفاوت است. فرض کنید فلزی داریم که در وضعیت عادی است و دارای میدان مغناطیسی ثابت (داخلی) است. حال آن را سرد می‌کنیم تا به دمای بحرانی برسد در این زمان ما شاهد از بین رفتن فوری میدان خواهیم بود؛ که مطابق قانون لنز چنین انتظاری نمی‌رود. [2]  اثر مایسنر به کمک دو برادر فریتز[Fritz] و لاندن[Heinz London] مطرح شد که نشان دادند که انرژی آزاد الکترومغناطیسی در ابررسانا مینیمم مقدار است.

در این فرمول H میدان مغناطیسی و λ عمق نفوذ لندن است. معادله  بالا که معادله  لندن نام دارد پیش گویی می‌کند که جدا از میدان موجود در سطح میدان مغناطیسی در داخل ابررسانا به صورت تابع نمایی از بین می‌رود. اثر مایسنر در میدان‌های بسیار بزرگ دیده نمی‌شود. ابررساناهای نوع ۱، در مجاورت با میدان مغناطیسی خارجی، میدان را دفع می‌کنند. در حالیکه در ابررساناهای نوع ۲، دیده می‌شود که آنها بار میدان مغناطیسی خارجی را از خود عبور می‌دهند و آنها را دفع نمی‌کنند.

دسته‌بندی ابررساناها

بنا به گفته  بالا ابررساناها را می‌توان به دو نوع مختلف تقسیم کرد. ابررساناهای نوع ۱ که در آنها خاصیت ابرررسانایی در زمان رسیدن میدان به مقدار بحرانی Hc ناگهان از بین می‌رود. وابسته به شکل هندسی فلز مورد آزمایش ممکن است ماده به یک وضعیت دیگری برود که در آن هم خاصیت ماده  نرمال و هم خاصیت ابررسانایی را به طور مخلوط داشته باشد. در ابررساناهای نوع۲ افزایش میدان و رسیدن به مقدار بحرانی Hc۱ ما را به یک وضعیت مختلط می‌رساند که در آن نفوذ شار مغناطیسی با افزایش همراه است ولی همچنان مقاومتی در برابر جریان وجود ندارد تا زمانی که میدان بیش از حد بزرگ شود در میدان بحرانی دوم Hc۲ ابررسانا از بین می‌رود.

کاربردهای ابر رسانایی در ایران و جهان

ابررساناهای دمای پایین امروزه در ساخت آهنرباهای ویژه طیف‌سنج‌های رزونانس مغناطیسی هسته، آنژیوگرافی تشدید مغناطیسی برای مقاصد تشخیص طبی، شتاب دهنده ذره‌ها، ترنهای سریع مغناطیسی و انواع ابزارهای رسانایی الکترونیکی بکار می‌رود. اما برای اینکه ابررساناهای دمای بالا در کاربردهای میدان مغناطیسی در دمای بالا رقابت کنند، هنوز زمان لازم دارد، این بعلت دشواری در تولید انبوه و با کیفیت بالاست. اگر چه در حال حاضر، بازار ابررساناهای دمای بالا رونق کمی دارد، گمان می‌رود که در خلال دو دهه آینده کاربر د آن فراگیر و پررونق شود. آهنرباهای ابررسانا از قوی‌ترین آهنرباهای الکتریکی موجود در جهان هستند. از آنها در قطارهای سریع‌السیر برقی و دستگاه‌های MRI و NMR و هدایت کردن ذرات در شتاب دهنده‌ها استفاده می‌شود. همچنین می‌توان به عنوان جدا کننده‌های مغناطیسی در جاهایی که ذرات مغناطیسی ضعیف خارج می‌شود مثلاً در صنایع رنگ سازی استفاده شود. همچنین از ابررساناها در مدارات دیجیتالی نیز استفاده می‌شود به عنوان مثال در ایستگاه‌های RF و موبایل در ایستگاه‌های امواج ماکروویو. از ابررساناها در Josephson junction برای ساختن بلوک‌های ساختمان SQUID استفاده می‌شود. SQUID حساسترین اندازه‌گیر امواج مغناطیسی می‌باشد.  سری دیگر دستگاه‌های Josephson برای ردیابی فوتون و یا به عنوان میکسر استفاده می‌شود. از مقاومت‌هایی که به ابررسانا تبدیل می‌شوند نیز در ساختن دماسنج و گرماسنج‌های حساس micro-calorimeter ردیاب فوتونی استفاده می‌شود.  [3] .

یک کاربرد آرمانی برای ابررساناها، استفاده از آن‌ها در انتقال قدرت به شهرهاست. اگرچه به خاطر قیمت بالا و نشدنی بودن سرد سازی مایل‌ها سیم ابررسانا برای رسیدن به دماهای بسیار پایین، این کار تا به حال تنها در اندازه آزمایش باقی‌مانده است. محققان امیدوارند که در آینده از ابررسانا در ساختن ترانسفورماتورها، وسایل ذخیره  برق، الکتروموتورها، محدود کردن جریان اتصال کوتاه، وسایل شناور مغناطیسی استفاده کنند. اما چون ابررساناها به تغییر و حرکت میدان مغناطیسی……………………..

 

 

 

 متن ارایه شده در بالا به صورت خلاصه بوده و برای آشنایی شما میباشد. امید داریم تا اینجای مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد. جهت دریافت مطلب به صورت کامل  WORD + PDF  به لینک دریافت زیر مراجعه نمایید. این موضع دارای منابع معتبر رفرنس ها و پاورقی میباشد و بر اساس سیستم پایان نامه نویسی طراحی شده است.

 

 برای دریافت pdf+word  کامل این مطلب بر روی کلیدزیر،کلیک نمایید . 

قیمت: 25000تومان