مواد ابررسانا و کاربرد آن ها در صنعت برق و الکترونیک

قطار‌های معلق، کامپیوترهایی با سرعت پردازش و حافظه بالا و انتقال انرژی با اتلاف کم تنها چند نمونه از کاربرد های مواد با مقاومت بسیار کم یا بدون مقاومت موسوم به ابررسانا هستند. احتمالاً با مفهوم رسانایی در فلزات و نارسانایی در عایق هایی نظیر پلاستیک آشنا هستید، اما آیا درباره دسته دیگری از مواد به نام ابررسانا ها که در دما های خیلی پائین هیچ مقاومتی در برابر عبور جریان الکتریکی از خود نشان نمی دهند چیزی می دانید؟ اگر میخواهید درباره خصوصیات بسیار جالب این مواد بیشتر بدانید با ما همراه باشید.

قطعه سرامیک ابررسانا بالای آهنربا معلق شده است. این پدیده به اثر مایسنر معروف است.

فهرست مقاله ابررسانا ها

1. تغییر مقاومت با دما
2. اثر مایسنر
3. چه چیزی باعث ابررسانایی میشود؟
4. مواد ابررسانا
5. ابررساناهای دمابالا
6. کاربرد ابررساناها

تغییر مقاومت ابررسانا با دما

دسته بندی مواد به دو دسته رسانا و نارسانا می تواند گمراه کننده باشد. بهتر است بگوییم همه مواد در شرایط مناسب جریان الکتریکی را از خود عبور می دهند، اما برخی مواد این کار را راحت تر انجام می دهند. وقتی گفته می شود که یک فلز رسانای خوبی برای جریان الکتریکی است، یعنی مقاومت کمی در برابر عبور جریان از خود نشان می دهد؛ و وقتی می گوییم پلاستیک عایق خوبی است، یعنی مقاومت بالایی در برابر عبور جریان الکتریکی از خود نشان می دهد. به جای دسته بندی مواد به رسانا و عایق، بهتر است از مقاومت که مفهوم بسیار مفیدتری برای توصیف مواد است استفاده کنیم.

یکی از ویژگی‌های جالب در مورد مقاومت، تغییرپذیری آن با دما است. فرض کنید قطعه ای سیم از جنس طلا داخل یک مدار الکتریکی قرار دارد. طلا یکی از رساناترین مواد روی زمین است یعنی مقاومت بسیار کمی در برابر جریان الکتریکی از خود نشان می‌دهد.

اما اگر دمای آن را افزایش دهید، می‌بینید که مقاومت آن نیز افزایش میابد. در واقع به طور کلی با افزایش دما، ارتعاشات حرارتی داخل ساختار بلوری طلا بیشتر می‌شود و الکترون ها ( ذرات منفی درون اتم ها که حامل جریان الکتریکی هستند) سخت تر می‌توانند در داخل اتم ها حرکت کنند. برعکس با کاهش دما، ارتعاشات کم می‌شوند و حرکت الکترون ها در درون ماده راحت تر می‌شود.

مقاومت طلا به صورت مستقیم با دما تغییر می‌کند و با افزایش دما، مقاومت الکتریکی طلا نیز افزایش پیدا می‌کند. در دمای صفر کلوین، مقاومت تقریبا مساوی با صفر می‌شود و طلا مانند یک ابررسانا رفتار می‌کند.

همچنین به شما توصیه می کنیم: ابر کامپیوتر چیست و چه کاربرد هایی دارد؟

البته ساز و کارها و عوامل مختلفی باعث ایجاد مقاومت در ماده می‌شوند و میزان تاثیر هر یک با دما تغییر می‌کند. برای مثال در دماهای پایین، نقص های بلوری و ناخالصی های موجود در ماده  بیشترین مقاومت را ایجاد می‌کنند. مقاومت کل یک ماده در دمای دلخواه را می‌توان از یک معادله‌ی ریاضی نسبتاً پیچیده به نام قانون ماتیسون که اثر همه عوامل در آن در نظر گرفته شده به دست آورد. اما این فرمول بیش از حد جزئی و پیچیده است و واقعاً نیازی به یادگیری آن نیست.

اولین تجربه ساخت یک ابررسانا

حالا که می‌دانیم مقاومت تابعی از دمای ماده است، این پرسش به ذهن خطور می‌کند که اگر دما را تا حد امکان پائین بیاوریم چه اتفاقی میفتد. این سوال ذهن بسیاری از دانشمندان را به خود مشغول کرده بود اما اولین کسی که در سال 1911 به پژوهش در این مورد پرداخت، یک فیزیکدان هلندی به نام «هِیک کامرلینگ اونِس» بود.

اونِس دمای یک سیم جیوه ای را تا منفی 296 درجه سانتی گراد یا 4 درجه کالوین پائین آورد، و مشاهده کرد که با سرد کردن جیوه تا این دما مقاومت آن ناگهان به صفر می‌رسد. به عبارت دیگر اونِس خاصیت ابررسانایی را کشف کرد. اما این پدیده خیلی زودگذر بود و وقتی اونِس یک میدان مغناطیسی قوی به جیوه اعمال کرد، ابررسانایی به همان سرعتی که ظاهر شده بود ناپدید شد.

تصویر اثر مایسنر را نشان میدهد. مواد ابررسانا در دماهای پائین بر فراز آهنربای دائم معلق می‌مانند و حتی می‌چرخند، زیرا مواد ابررسانا میدان مغناطیسی را از خود عبور نمی‌دهد.

 اثر مایسنر

علت اطلاق عنوان ابررسانا به برخی مواد این است که آن مواد از قابلیت رسانایی فوق العاده ای برخوردار هستند، اما احتمالاً می‌شد نام گذاری بهتری هم برای این مواد انجام داد، زیرا ابررسانایی تنها ویژگی خاص این مواد نیست. بیست سال پس از کشف حیرت انگیز اونِس، دو فیزیکدان آلمان به نام های کارل مایسنر و رابرت آکسنفیلد دریافتند که ابررسانا‌ها یک خاصیت جالب دیگر هم دارند.

ابررساناها دیامغناطیس هستند، یعنی اجازه نفوذ میدان مغناطیسی را به درون خود نمی‌دهند. اگر یک ماده ابررسانا را درون یک میدان مغناطیسی قرار دهیم، روی سطح آن جریان های الکتریکی ایجاد میشود. این جریان ها یک میدان مغناطیسی مخالف ایجاد می‌کنند که میدان اصلی را خنثی می‌کند و در نتیجه میدان اصلی نمی‌تواند داخل ماده نفوذ کند. به این پدیده اثر مایسنر گفته میشود که علت معلق شدن مواد ابررسانا درون یک میدان مغناطیسی را توضیح می‌دهد.

چه چیزی باعث ابررسانایی می‌شود؟

برای اینکه جایزه نوبل فیزیک را ببرید باید نابغه باشید. حالا تصور کنید چقدر هوش و ذکاوت لازم است تا دو بار برنده این جایزه شوید! جان باردین، فیزیکدان آمریکایی (1908–1991) اولین جایزه نوبلش را در سال 1956 ( به طور مشترک با والتر براتین و ویلیام شاکلی) برای اختراع ترانزیستور ( یک تقویت کننده و سوئیچ کوچک که انقلابی در صنعت الکترونیک و کامپیوتر به وجود آورد) گرفت. او سه دهه بعد در سال 1972 دومین نوبل خود را (به طور مشترک با لئون کوپر و رابرت شریفر) برای ارائه نظریه ابررسانایی به دست آورد.

جفت های کوپر: وقتی الکترون ها باهم جفت می‌شوند، ماده از خود خاصیت ابررسانایی نشان می‌دهد.

این نظریه که به افتخار کاشفین آن نظریه BCS نام گذاری شده توضیح می‌دهد که وقتی الکترون های درون ماده باهم جفت می‌شوند، آن ماده ناگهان از خود خاصیت ابررسانایی نشان می‌دهد. به این جفت الکترون ها، جفت های کوپر یا جفت های BCS گفته می‌شود. در حالت عادی، الکترون های حامل بار الکتریکی به خاطر وجود ناخالصی ها، نقص های بلوری و ارتعاشات شبکه کریستالی درون اتم ها پراکنده هستند و این پراکندگی الکترون ها باعث ایجاد مقاومت می‌شود. اما در دماهای پائین وقتی الکترون ها باهم جفت می‌شوند، میتوانند خیلی هماهنگ تر و راحت تر حرکت کنند.

برای اینکه این مفهوم برایتان ملموس تر شود می‌توانید تصور کنید که الکترون ها به نوعی باهم ازدواج می‌کنند و جفت می‌شوند. درست مثل وقتی که پیوند ازدواج بین دو نفر باعث می‌شود بتوانند با همراهی و همکاری یکدیگر راحت تر فراز و نشیب های زندگی را پشت سر بگذارند، جفت شدن الکترون ها هم باعث میشود بتوانند بدون اینکه گرفتار موانع کوچک شوند راحت تر درون رسانا حرکت کنند. حال اینکه چرا الکترون ها به جای دماهای معمول ترجیح می‌دهند در سرمای قطب جنوب باهم ازدواج کنند یک بحث دیگر است!

مواد ابررسانا

همه مواد از خود خاصیت ابررسانایی نشان نمیدهند. ابررسانایی به جز در جیوه که اولین ابررسانای کشف شده است، در حدود 25 عنصر دیگر (اکثراً فلزات، نیه فلزات یا نیمه رساناها) و همچنین هزاران ترکیب و آلیاژ دیگر مشاهده شده است. مواد مختلف در دماهای متفاوت ( دمای بحرانی) ابررسانا می‌شوند.

مشکل اساسی این است که دمای بحرانی همه مواد در بازه کوچکی حول صفر مطلق یا صفر کلوین قرار می‌گیرد. این یعنی همه توانی که در نبود مقاومت صرفه جویی می‌شود، در نهایت باید برای پائین آوردن دما صرف شود. به همین علت است که علی‌رغم گذشت یک قرن از کشف ابررساناها، هنوز به طور گسترده در صنعت از آنها استفاده نمیشود.

موضوع مرتبط: اشعه ایکس و کاربرد های آن در مهندسی و پزشکی

ابررساناهای دمای بالا

برای سال های متمادی دانشمندان تصور می‌کردند که ابررسانایی فقط در دماهای بسیار پائین اتفاق میفتد. تا اینکه  در سال 1986 دو دانشمند آلمانی و سوئیسی به نام های جرج بدنورز و الکس مولر یک آنیون سرامیکی ( ماده ای متشکل از اکسیژن و مس) کشف کردند که در دماهای بسیار بالاتر از صفر کلوین (35 درجه کلوین یا منفی 238 درجه سانتی گراد) از خود خاصیت ابررسانی بروز می‌داد. در حال حاضر بالاترین دمای بحرانی ( منفی 135 درجه سانتی گراد یا 138 درجه کلوین) توسط دانشمندان کره ای در سال 1996 برای ماده ای به نام اکسیدِ مس کلسیوم باریوم تالیوم جیوه (Hg₁₂Tl₃Ba₃₀Ca₃₀Cu₄₅O₁₂₅) ثبت شده است.

اَبَررسانایی پدیده‌ای است که در دماهای بسیار پایین برای برخی از مواد رخ می‌دهد. اما حتی ابررساناهای دما‌بالا نیز در دماهای نسبتا پائین کار می‌کنند. در تصویر یک موتور الکتریکی را مشاهده می‌کنید که با استفاده از نیتروژن مایع تا دمای منفی 179 درجه سانتی گراد یا 4 درجه کلوین سرد می‌شود.

با کشف ابررساناهای دما بالا (HTS) پیشرفت عظیمی در پژوهش ها پدید آمد. ابررساناهای اولیه به دمایی حدود دمای صفر کلوین نیاز دارند، که تنها با استفاده از گازهای خنک کننده های بسیار گران قیمتی نظیر هلیوم مایع میتوان به آن رسید. اما برای سرد کردن ابررساناهای دما بالا ( دمای بحرانی برای این مواد همچنان پائینتر از منفی صد درجه سانتی گراد است) می‌توان از نیتروژن مایع که قیمتی برابر با یک دهم هلیوم دارد استفاده کرد. با کشف ابررساناهای دما بالا، بسیاری از کاربردها که در گذشته توجیه اقتصادی نداشتند، به یکباره ممکن شدند.

کاربرد ابررساناها

دنیای مدرن بر پایه الکتریسیته و مغناطیس بنا شده و حداقل در تئوری، ابررسانایی می‌تواند راندمان هر دستگاه الکترومغناطیسی را بهبود دهد. به جز المان های حرارتی که از مقاومت سیم برای تبدیل انرژی الکتریکی به حرارت استفاده می‌کنند، اکثر وسایل الکتریکی به خاطر وجود مقاومت با افت راندمان روبه‌رو می‌شوند.

مقاومت الکتریکی باعث داغ و کند شدن کامپیوترها، خالی شدن باتری ها، سوختن لامپ ها، فرسودگی موتورهای الکتریکی و به طور کلی باعث اتلاف انرژی و افزایش هزینه ها می‌شود. خوشبختانه ابررساناها، هرچند خیلی آهسته، در حال تغییر این وضعیت هستند. در حال حاضر ابررساناهای دما پائین (LTS) بسیار بیشتر از ابررساناهای دما بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند زیرا قدمت بیشتری دارند، اطلاعات بیشتری راجع به آنها در دست داریم و به دلایل مختلف کاربری راحت تری دارند. اما به تدریج با گسترش اطلاعات بشر در مورد ابررسانایی در دماهای بالاتر و کشف مواد ابررسانای دمای بالای جدید، امید است در آینده به طور گسترده از مزایای فوق العاده HTS ها در صنعت بهره مند شویم.

نحوه کار دستگاه MRI

در حال حاضر رایج ترین کاربرد ابررساناها، اسکنرهای بدن هستند که بر مبنای یک پدیده فیزیکی به نام رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) کار می‌کنند. وقتی یک اتم در میدان مغناطیسی قوی و متمرکز قرار میگیرد، هسته آن رزونانس (ارتعاش با فرکانس میدان) می‌کند و از آن امواج رادیویی ساطع میشود.

در یک اسکنر بدن، آهنرباهای ابررسانا یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کنند که باعث میشود اتم های داخل بدن بیمار از خود امواج رادیویی تابش کنند. اسکنر در حین گردش دور بیمار، این امواج را دریافت و آنها را به تصویر تبدیل می‌کند؛ درست مثل تلسکوپ های رادیویی که امواج رادیویی منظم را از فضا دریافت و از روی آنها تصویری از کهکشان ها ترسیم می‌کنند.

در اسکنرهای بدن از ابررساناهای دما پائین استفاده می‌شود و به تصویر حاصل، تصویر رزونانس مغناطیسی یا MRI گفته می‌شود.

این تصویر نحوه کار اسکنر MRI را نشان می‌دهد. بیمار روی تخت دراز میکشد ( 1)، تخت وارد یک حلقه بزرگ مجهز به اسکنر می‌شود. اسکنر (2) به بدن بیمار انرژی میتاباند و اتم های داخل بدن را به ارتعاش وامیدارد. در نتیجه این ارتعاش، اتم ها از خود امواج رادیویی ساطع میکنند. این امواج توسط اسکنر دریافت و به تصاویر الکترونیکی روی صفحه نمایش کامپیوتر تبدیل می‌شوند.

کاربردهای مغناطیسی

از آهنرباهای ابررسانا در شتاب دهنده هایی نظیر “برخورد دهنده هادرونی بزرگ” یا LHC استفاده می‌شود. وقتی ذرات باردار (مثلاً اجزای تشکیل دهنده اتم) درون یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، روی یک منحنی مارپیچی حرکت می‌کنند. حال اگر یک میدان مغناطیسی قوی به آنها اعمال کنیم، شتاب دار می‌شوند و به سرعت ها و انرژی های خیلی بالا می‌رسند و در نتیجه وقتی با این سرعت بالا به یکدیگر برخورد میکنند، متلاشی میشوند و ذرات کوچکتری تولید می‌کنند.

به این ترتیب میتوان کوچکترین ذرات تشکیل دهنده اتم را کشف و مطالعه کرد. مثلا LHC از هزار آهنربا از جنس آلیاژ نیبیوم_تیتانیوم ساخته شده که تا دمای نزدیک صفر کلوین سرد شده اند. این آهنرباها میدان مغاطیسی به بزرگی 8.3 تسلا تولید می‌کنند که بیش از صد هزار برابر بزرگتر از میدان مغناطیسی زمین است.

حداقل 6 دهه است که دانشمندان قول اختراع قطارهای مغناطیسی معلق را به دنیا داده اند. یکی از دلایلی که این قول هنوز محقق نشده این است که ساخت آهنربای الکتریکی که بتواند یک قطار را در هوا معلق نگه دارد بسیار سخت و هزینه بر است. علیرغم پژوهش های ادامه دار در حوزه فناوری تعلیق مغناطیسی، این فناوری هنوز نتوانسته نقش پررنگی در شبکه حمل و نقل ریلی ایفا کند. تنها ژاپن توانسته با استفاده از آهنرباهای ابررسانا شبکه ریلی خود را متحول کند. قطارهای معلق در ژاپن با سرعتی برابر با 375 کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کنند.

قطارهای معمولی (شکل بالا) به کمک چرخ روی ریل حرکت می‌کنند. قطارهای مغناطیسی (شکل پائین) روی میدان مغناطیسی تولید شده به کمک آهنرباهای ابررسانا معلق می‌مانند و به جلو رانده می‌شوند. اگر ابررساناها در دماهای بالاتر کار می‌کردند، فناوری تعلیق مغناطیسی می‌توانست در بسیاری از حوزه ها کاربرد داشته باشد.

کاربردهای الکتریکی

مقاومت قطعا کاربردهای خاص خود را دارد اما دشمن درجه یک تولید، انتقال و مصرف برق است. به خاطر وجود مقاومت است که تنها حدود 20 درصد از انرژی موجود در سوخت های فسیلی قابل استفاده است. مقاومت ما را مجبور میکند برای انتقال برق از ولتاژهای بسیار بالا در خطوط انتقال استفاده کنیم و انتقال برق را بسیار سخت و هزینه بر میکند. اما ممکن است در آینده نزدیک بتوان به کمک ابررساناها این مشکلات را حل و از اتلاف انرژی جلوگیری کرد.

فناوری تولید برق از زمان ادیسون و تسلا در اواخر قرن نوزدهم تغییر چندانی نداشته است، اما می‌توان با ساخت ژنراتورها، خطوط انتقال، ترانسفورمرها و وسایل ذخیره کننده انرژی مانند چرخ لنگر با اتلاف انرژی بسیار کمتر، تحول عظیمی در صنعت برق به وجود آورد و این کاری است که متخصصین و شرکت های فناوری سعی در انجام آن دارند.

سایر کاربرد‌ها

علاوه بر حوزه تولید و انتقال برق، ابررساناها در صنعت الکترونیک نیز می‌توانند مفید واقع شوند. در وسایل الکترونیکی مصرف برق بسیار پائین تر از لوازم الکتریکی است زیرا جریان در تراشه های الکترونیکی برای انتقال انرژی طراحی نشده است. وظیفه اصلی جریان در مدارات الکترونیکی، کنترل، زمان سنجی، تصمیم گیری، فعالسازی و ذخیره اطلاعات است.

ابررساناها در این حوزه نیز کاربردهای خود را دارند. برای مثال مهندسین سخت افزار سال هاست که مشغول تحقیق بر روی اتصالات جوزفسون برای طراحی و ساخت گیت های منطقی فوق سریع و آشکارسازهای مغناطیسی بسیار حساس یا SQUID (ابزارهای تداخل کوانتومی ابررسانا) هستند که در بسیاری از حوزه ها از اسکنرهای مغزی پیشرفته گرفته تا آشکارساز‌های فوق حساس زیردریایی ها کاربرد دارند.

براساس قانون جوزفسون در سال 1962 توسط فیزیکدان برایان جوزفسون کشف شد، بین دو ابررسانا که به وسیله یک عایق نازک غیر ابررسانا از هم جدا شده اند، همیشه یک ابر جریان وجود دارد. به عبارت دیگر الکترون ها می‌توانند برای رفتن از یک ابررسانا به ابررسانای دیگر از طریق عایق نازک بین آنها تونل بزنند و از آن عبور کنند. همانطور که اشاره شد اثر جوزفسون مبنای بسیاری از کاربردهای مواد ابررسانا در حوزه الکترونیک است.