ابررسانایی: تفاوت میان نسخه‌ها
محتوای حذف‌شده محتوای افزوده‌شده
بدون خلاصۀ ویرایش برچسب: نیازمند بازبینی |
به نسخهٔ 14921597 ویرایش Mahdy Saffar واگردانده شد: بدون منبع. واگردانی به نسخه سالم. (توینکل) |
||
خط ۱:
{{ویکی‌سازی}}
[[پرونده:Meissner_effect_p1390048.jpg|بندانگشتی|چپ|یک آهنربا بالای یک [[ابررسانایی دمای بالا|ابررسانای دمای بالا]]، سرد شده توسط [[نیتروژن مایع]]]]
'''اَبَررسانایی''' پدیده‌ای است که در [[دما|دماهای]] بسیار پایین برای برخی از [[ماده (فیزیک)|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.
{{فیزیک ماده چگال}}
مقاومت الکتریکی یک [[رسانا|رسانای]] [[فلز|فلزی]] به تدریج با کاهش [[دما]] کم می‌شود. در [[رسانا|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 حلقهٔ ابررسانا می‌تواند برای مدت نامحدودی بدون وجود مولد جریان وجود داشته باشد. مانند پدیدهٔ [[فرومغناطیس]] و [[خطوط طیفی]] [[اتم|اتم‌ها]]، ابررسانایی نیز پدیده‌ای [[مکانیک کوانتم|کوانتومی]] است۔، ھر چند یک تئوری جهانشمول برای اَبَررسانایی وجود ندارد. و نمی‌توان آن را با [[فیزیک کلاسیک]] به مانند یک رسانای مطلوب توصیف کرد.
پدیدهٔ ابررسانایی برای طیف وسیعی از مواد مانند [[قلع]] و [[آلومینیوم]] وجود دارد. همچنین برخی [[آلیاژ|آلیاژها]] و [[نیمه‌رسانا|نیمه‌رساناها]] نیز ابررسانا هستند، ولی فلزاتی مثل [[طلا]] و [[نقره]] این پدیده را از خود نشان نمی‌دهند، همچنین پدیدهٔ ابررسانایی در فلزات [[فرومغناطیس]] هم روی نمی‌دهد. در سال [[۱۹۸۶ (میلادی)|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.
== پیشینه ==
ویژگی '''ابررسانایی''' از سوی پروفسور هلندی، کمرلینگ اونز
وی دریافت که در دمای خیلی پایین، مقاومت جیوه تا حد اندازه‌گیری ناپذیری کاهش می‌یابد. وی دریافت هنگامی که دمای جیوه به سوی صفر هروسپ(مطلق) کاهش داده می‌شود، روند کم شدن آرام مقاومت به ناگهان نزدیک به دمای 4 درجه کلوین با افت بسیار بزرگی روبرو شده و پایینتر از این دما، جیوه هیچ گونه مقاومتی از خود نشان نمی‌دهد. اونز به این پی‌آمد رسید که در دمای کمتر از 4 درجه کلوین، جیوه به حالت دیگری از ویژگی‌های فرهی که بگونه هروسپ از حالتهای شناخته شده پیشین متفاوت بود، رسیده است. این حالت تازه ابررسانایی نام گرفت.<ref>دانشنامه مشاهیر ، شماره 63 ، سال 11</ref>
== خواص ابررساناها ==
بیشتر خواص ابررساناها از ماده‌ای به مادهٔ دیگر تغییر می کند. خواصی مانند [[ظرفیت گرمایی]] و دمای بحرانی. اما گذشته از اینها، دستهٔ 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]] [[ترمودینامیک|ترمودینامیکی]] برای ماده دانست. ابررسانا شدن را می‌توان [[گذار فاز|گذار فازی]] به فاز دیگر قلمداد کرد. چیزی همانند تغییر حالت آب از مایع به گاز و یا برعکس.
== 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
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 اندازه گیری 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|شبکهٔ یونی]] تصویر کرد. الکترونها در این حرکت به طور پیوسته در حال برخورد با شبکهٔ یونی هستند. در این برخوردها بخشی از انرژی الکترون توسط [[شبکه یونی|شبکهٔ یونی]] به گرما تبدیل می‌شود که در واقع همان انرژی جنبشی شبکهٔ 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 کوپر|جفت الکترون‌های کوپر]] دانست که به هم وصل می‌شوند و با تعویض [[فونون|فونون‌های]] خود، کاملاً در کنار هم می‌مانند. طبق نظریهٔ [[مکانیک کوانتومی]] طیف انرژی این [[جفت کوپر]] دارای حداقل سطح خاص است و از آن کمتر نمی‌تواند باشد. 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 شبکهٔ یونی است و در آن k ثابت بولتزمن و T هم دمای شبکه است؛ بیشتر است که در این حالت جریان توسط شبکهٔ یونی به هدر نمی‌رود و این یعنی جفت کوپر یک ابرشار را پدید می‌آورد که می‌تواند بدون افت انرژی از شبکهٔ یونی عبور کند.
== گذار به فاز ابررسانایی ==
سطر ۸۵ ⟵ ۲۸:
== 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 (<math>H_c</math>) 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 <math>H_{c1}</math> 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 <math>H_{c2}</math> ابررسانایی از بین می‌رود.
بیشتر ابررساناهایی که عنصر ساده هستند (به جز [[نیوبیوم]]، [[تکنسیوم]]، [[وانادیوم]] و [[
== اثر مایسنر ==
سطر ۹۳ ⟵ ۳۶:
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 مشخصهٔ ویژهٔ 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.
اثر مایسنر به کمک دو برادر Fritz و Heinz London مطرح شد که نشان دادند که انرژی آزاد الکترومغناطیسی در ابررسانا مینیمم مقدار است.
<math> \nabla^2\mathbf{H} = \lambda^{-2} \mathbf{H}\, </math>
در این فرمول H میدان مغناطیسی و λ عمق نفوذ لندن است. معادلهٔ بالا که '''معادلهٔ 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.
<gallery>
[[پرونده:http://mostafa-alemi.persiangig.com/phypub1low.gif|
</gallery>
همانطور که در تصویر بالا دیده
=== دسته‌بندی ابررساناها ===
بنا به گفتهٔ 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 مادهٔ نرمال و هم خاصیت ابررسانایی را به طور مخلوط داشته باشد.
سطر ۱۱۸ ⟵ ۶۰:
== تاریخچهٔ ابررسانایی ==
ابررسانایی را در سال [[۱۹۱۱ (میلادی)|۱۹۱۱]] [[
در دهه‌های بعد، خاصیت ابررسانایی در مواد دیگری نیز دیده شد. در سال [[۱۹۱۳ (میلادی)|۱۹۱۳]] دیده شد که سرب (در دمای ۷K) و در سال [[۱۹۴۱ (میلادی)|۱۹۴۱]] نیترید نیوبیوم (در دمای ۱۶K) ابررسانا می‌شوند.
گام مهم بعدی در فهم ابررسانایی در سال [[۱۹۳۳ (میلادی)|۱۹۳۳]] اتفاق افتاد. در این سال [[مایسنر]] و [[اوخنفلد]] دریافتند که ابرساناها میدان مغناطیسی خارجی را طرد می‌کنند؛ پدیده‌ای که امروزه [[اثر مایسنر]] نامیده می‌شود. در سال [[۱۹۳۵ (میلادی)|۱۹۳۵]] [[
در سال ۱۹۵۰ تئوری [[(Ginzburg-Landau)]] توسط [[لو لانداو]] و [[Ginzburg]] مطرح شد. این تئوری که ترکیبی از تئوری مرتبهٔ دوم [[لو لانداو]] با معادلهٔ موج [[
[[Ginzburg-Landau]] پیشبینی تقسیم بندی ابررساناها را به دو دستهٔ نوع۱ [[type۱]] و نوع۲ [[type۲]] را کرده بود.
سطر ۱۳۳ ⟵ ۷۵:
تئوری کامل میکروسکوپی ابررساناها در سال ۱۹۵۷ توسط آقایان Bardeen و Cooper و Schrhffer ارائه شد که مستقلاً پدیدهٔ ابررسانایی توسط Nikolay Bogolyubov توضیه داده شد.
این تئوری BCS (Bardeen Cooper Schrieffer) جریان ابررساناها را به عنوان ماده‌ای با هدایت
(اثر متقابلی که جفتهای الکترون در مبادلهٔ فونون)
تئوری به عنوان ستون و پایه در سال ۱۹۵۸ قرار گرفت زمانی که 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 Lev 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 Westinghouse تحقیق شد.
Josephson برندهٔ جایزهٔ نوبل در سال ۱۹۷۳ گردید.
تا سال ۱۹۸۶
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.
خیلی دیگر از ابررساناهای cuprate کشف شده‌اند و تئوری ابررساناها یکی از برجسته‌ترین مشکلات دربارهٔ این نوع مواد در علم فیزیک می‌باشد.
سطر ۱۵۰ ⟵ ۹۲:
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 فوریهٔ ۲۰۰۸ خانوادهٔ دیگر ابررساناهای دما بالا کشف شد. Hideo Hosono از انستیتو تکنولوژی توکیو کشف کرد که lanthanum oxygen fluorine iron arsenide (LaO۱-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.
== کاربردها ==
ابررساناهای دمای پایین امروزه در ساخت [[آهنربا|آهنرباهای]] ویژه [[
[[آهنربای ابررسانا|آهنرباهای ابررسانا]] از قوی‌ترین [[آهنربا|آهنرباهای]] الکتریکی موجود در [[جهان]] هستند. از آنها در قطارهای سریع‌السیر برقی و دستگاه‌های [[MRI]] و [[NMR]] و هدایت کردن ذرات در [[شتاب دهنده|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 [[مدار|مدارات]] دیجیتالی نیز استفاده می‌شود به عنوان مثال در
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
یک کاربرد آرمانی برای ابررساناها، استفاده از
{{سخ}}محققان امیدوارند که در [[آینده]] از ابررسانا در ساختن [[ترانسفورماتور|ترانسفورماتورها]]، وسایل ذخیرهٔ برق، [[الکتروموتور|الکتروموتورها]]، محدود کردن جریان [[اتصال کوتاه]]، وسایل شناور مغناطیسی استفاده کنند. اما چون ابررساناها به تغییر و حرکت میدان مغناطیسی حساسند استفاده از آنها در برق [[جریان متناوب]] مثل ترانسفورماتورها بسیار سخت پیشرفت می‌کند ترجیحاً در حیطهٔ کاری [[جریان مستقیم]] می‌باشد.
==
به طور مثال [[طلا]] و نقره رسانایی خوبی دارند، ولی چوب و [[پلاستیک]] رسانایی ندارند و موادی مانند سیلیسم و ژرمانیوم جزء نیمه رسانا
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
== تاریخچه تحقیقات ==
#
#
# دِئور و
# والتر نرست با توجه به [[قانون سوم ترمودینامیک]] اظهار داشت که به هیچ وجه
#
== مهمترین خواص ابر رسانا ها ==
# مقاومت تقریباً صفر و توانایی عبور [[چگالی]] [[جریان]] بالا .رسانایی که [[مقاومت]] تقریباً صفر دارد در زمینه تولید و انتقال انرژی تاثیر بسزایی دارد و باعث صرفه جویی در مصرف انرژی می شود. همچنین باعث افزایش چگالی جریان می شود، البته باید توجه داشت که افزایش چگالی جریانی بیش از حد معینی باعث افزایش مقاومت می شود.
# ایجاد میدان مغناطیسی بسیار قوی.خاصیت ابر رسانایی به 3 [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 می رود میدان بحرانی گفته می شود.
ابر رسانا ها از نظر رفتار فیزیکی به دو گروه تقسیم می شوند که بیشتر عناصر شامل گروه اول می شوند ولی [[آلیاژ]] ها و مقدار کمی از عناصر شامل گروه دوم می شوند.
اختلاف گروه اول با گروه دوم در تعداد ناحیه و فواصل بین اکترون های [[آزاد]] می باشند؛ گروه اول دارای دو ناحیه و فاصله [[الکترون های آزاد]] آن کم می باشد؛ ولی گروه دوم دارای 3 ناحیه هستند ولی فاصله الکترون های آزاد آنها زیاد است.
# خاصیت تونل زنی.به انتقال جریان الکتریکی از یک ابر رسانا به ابر رسانای دیگر در صورتی که نزدیک هم باشد گفته می شود. این انتقال انرژی در صورتی است که ولتاژی وجود ندارد ولی به میدان مغناطیسی وابسته است .
== ابر رسانا ها و [[تکنولوژی]] ==
مهترین کاربرد ابررسانا هاى دماى بالا، در زمینه ساخت آی سی های خیلی سريع می باشد كه تحول بزرگی در فناورى اطلاعات ايجاد می کند و می توان آن را با اختراع [[ترانزيستور]] ها مقایسه کرد.
از كاربرد هاى دیگر ابررساناها با در نظر گرفتن حساسيتشان به ميدان مغناطيسى در اكتشافات معدنى، زمين شناختى و رديابى زيردريايى ها می توان استفاده کرد و همچنین در ساخت قطار هايى كه با استفاده از خاصيت ميدان مغناطيسى قطار را بالاتر از سطح [[زمين]] و بدون اصطكاك با ريل به حركت درمى آورد. اين [[قطار]] ها می توانند در کمتر از 1 ساعت مسافتی بیش از 500 [[کیلومتر]] را بپیمایند.
در خطوط انتقال نيرو با در نظر گرفتن اینکه بتوان ابررسانا ها را سرد نگه داشت، در حدود 80 درصد در مصرف انرژی صرفه جویی می شود. 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
== جستارهای وابسته ==
سطر ۲۰۱ ⟵ ۱۳۹:
* [[ابررسانایی دمای بالا]]
== منابع ==
{{پانویس}}
{{آغاز چپ‌چین}}
* ''Gale Encyclopedia of Science.'' Gale, ۲۰۰۴. ISBN 0-7876-7554-7
* Tinkham, Michael (2004). ''Introduction to Superconductivity (second edition)''. Dover Books on Physics. ISBN 0-486-43503-2 .
{{پایان چپ‌چین}}
*
== پیوند به بیرون ==
| |||