ابررسانایی: تفاوت میان نسخه‌ها

[[پرونده:Meissner_effect_p1390048.jpg|بندانگشتی|چپ|یک آهنربا بالای یک [[ابررسانایی دمای بالا|ابررسانای دمای بالا]]، سرد شده توسط [[نیتروژن مایع]]]]

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۔، ھرهر چند یک تئوری جهانشمول برای اَبَررسانایی وجود ندارد.ندارد؛ و نمی‌توان آن را با [[فیزیک کلاسیک]] به مانند یک رسانای مطلوب توصیف کرد.

ویژگی '''ابررسانایی''' از سوی پروفسور هلندی، کمرلینگ اونز 1۱ در سال 1911۱۹۱۱ در دانشگاه لیدن 2۲ دیده شد.

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 4۴ 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 4۴ 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 ،مشاهیر، شماره 63 ،63، سال 11</ref>

بیشتر خواص ابررساناها از ماده‌ای به مادهٔ دیگر تغییر می کندمی‌کند. 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.

یکی از راه‌های ابتدایی برای سنجش [[مقاومت الکتریکی]] مواد، قرار دادن آنها در یک [[مدار]] به همراه یک [[منبع تغذیه]] و سپس اندازه گیریاندازه‌گیری [[ولتاژ]] و [[آمپر]] و سنجش مقاومت از فرمول <math>R=\frac{V}{I}</math> 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 اندازه گیریاندازه‌گیری 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.

در مواد ابررسانا، پدیدهٔ ابررسانایی زمانی ظهور می‌کند که دمای ماده، T از مقدار بحرانی، <math>T_c</math> کمتر شود. مقدار دمای بحرانی از ماده‌ای به مادهٔ 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]] ۳۹[[کلوین]] است. گرچه این ماده خواصی چنان دارد که نمی‌بایست آن را در دستهٔ [[ابررساناهای معمول]] جای داد. ابررساناهای ترکیبی می‌توانند دمایی بحرانی بسیار بالاتری داشته باشند. برای مثال ایتربیم باریم مس اکسید یا [[ایتربیم باریم مس اکسید|YBa۲Cu۳O۷YBa2Cu3O۷]] 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 پایهٔ 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.

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.

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.بود؛ که مطابق قانون لنز چنین انتظاری نمی‌رود.

<math> \nabla^2\mathbf{H} = \lambda^{-2} \mathbf{H}\, </math>

[[پرونده:http://mostafa-alemi.persiangig.com/phypub1low.gif|ابررسانا هایابررسانا‌های نوع 1۱ و 2|thumb|right|283px|

همانطورهمان‌طور که در تصویر بالا دیده میمی‌شود، شود، ابررسانا هایابررساناهای نوع 1،۱، در مجاورت با میدان مغناطیسی خارجی، میدان را دفع می کنند می‌کنند. در حالیکه در ابررساناهای نوع 2،۲، دیده می شودمی‌شود که آنها بار میدان مغناطیسی خارجی را از خود عبور می دهندمی‌دهند و آنها را دفع نمی‌کنند .

[[Ginzburg-Landau]] پیشبینی تقسیم بندیتقسیم‌بندی ابررساناها را به دو دستهٔ نوع۱ [[type۱]] و نوع۲ [[type۲]] را کرده بود.

این تئوری BCS (Bardeen Cooper Schrieffer) جریان ابررساناها را به عنوان ماده‌ای با هدایت فوق العادهفوق‌العاده زیاد با زوجهای کوپر توضیح می‌دهد.

در سال ۱۹۶۲ اولین سیم تجاری ابررسانا از آلیاژ نیوبیم- تیتانیم (niobium-titanium) در Westinghouse تحقیق شد. در همین سال 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 اندازه گیراندازه‌گیر شار مغناظیسی کوانتوم موجود می‌باشد (h ثابت پلانک).

تا سال ۱۹۸۶ فیزیک دان‌هافیزیک‌دان‌ها بر این باور بودند که تئوری BCS ابررسانایی را در دماهای بالا تربالاتر از ۳۰˚k را نفی می‌کند، در همین سال Bednorz و muller کشف کردند که ابررسانایی در عناصر لانتان که بر پایهٔ اکسید مس (cuprate) هستند دارای دمای تبدیل ۳۵˚K می‌باشند. (در سال ۱۹۸۷ برندهٔ جایزهٔ 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 فوریهٔ ۲۰۰۸ خانوادهٔ دیگر ابررساناهای دما بالا کشف شد. Hideo Hosono از انستیتو تکنولوژی توکیو کشف کرد که lanthanum oxygen fluorine iron arsenide (LaO۱LaO1-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 خانوادهٔ دیگری از ابررساناها باعث آسانتر شدن توضیح عملکرد این مواد خواهد شد.

ابررساناهای دمای پایین امروزه در ساخت [[آهنربا|آهنرباهای]] ویژه [[طیف سنجطیف‌سنج|طیف سنج‌های]] [[رزونانس مغناطیسی هسته]]، [[آنژیوگرافی تشدید مغناطیسی]] برای مقاصد تشخیص طبی، [[شتاب دهنده ذره‌ها]]، [[قطار مگلو|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.

همچنین از ابررساناها در [[مدار|مدارات]] دیجیتالی نیز استفاده می‌شود به عنوان مثال در ایستگاه هایایستگاه‌های RF و موبایل در ایستگاههایایستگاه‌های امواج ماکروویو.

سری دیگر دستگاه‌های Josephson برای ردیابی فوتون و یا به عنوان [[میکسر]] استفاده می‌شود. از مقاومت هاییمقاومت‌هایی که به ابررسانا تبدیل می‌شوند نیز در ساختن [[دماسنج]] و گرما سنج هایگرماسنج‌های حساس micro-calorimeter ردیاب فوتونی استفاده می‌شود.

یک کاربرد آرمانی برای ابررساناها، استفاده از آن هاآن‌ها در انتقال قدرت به شهرهاست. اگرچه به خاطر قیمت بالا و نشدنی بودن سرد سازی مایل هامایل‌ها سیم ابررسانا برای رسیدن به دماهای بسیار پایین، این کار تا به حال تنها در اندازه آزمایش باقی‌مانده است.

{{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.

# جيمزجیمز دئِور در اواسط [[قرن نوزدهم]] پژوهشپژوهش‌هایی هایی دربارهدربارهٔ تغییر مقاومت در دماهای پایین انجام داد.

# زيگموندزیگموند روبلوفسکيروبلوفسکی و كارلکارل اولزفسكياولزفسکی در سال 1864۱۸۶۴ بررسی دربارهدربارهٔ کاهش مقاوت الکتریکی با روشی که بتوان اکسیژن و نیتروژن را مایع کرد، انجام دادند.

# دِئور و فلمينگفلمینگ دربارهدربارهٔ صفر شدن مقاومت (تقریباً صفر) در دمای مطلق، پژوهش هاییپژوهش‌هایی را انجام دادند.

# والتر نرست با توجه به [[قانون سوم ترمودینامیک]] اظهار داشت که به هیچ وجه نمی تواننمی‌توان مقاوت مواد را صفر کرد.

# كارلکارل ليندلیند و ويليامویلیام همپسون آلمانی نیز روشی جدید برای خنک سازی و [[مایع کردن]] گاز هاگازها با افزایش فشار را کشف کردند.

== مهمترین خواص ابر رسانا هارساناها ==

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

# ایجاد میدان مغناطیسی بسیار قوی. خاصیت ابر رسانایی به 3۳ [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 رودمی‌رود میدان بحرانی گفته می شودمی‌شود.

ابر رسانا هارساناها از نظر رفتار فیزیکی به دو گروه تقسیم می شوندمی‌شوند که بیشتر عناصر شامل گروه اول می شوندمی‌شوند ولی [[آلیاژ]] ها‌ها و مقدار کمی از عناصر شامل گروه دوم می شوندمی‌شوند.

اختلاف گروه اول با گروه دوم در تعداد ناحیه و فواصل بین اکترون هایاکترون‌های [[آزاد]] می باشند؛می‌باشند؛ گروه اول دارای دو ناحیه و فاصله [[الکترون هایالکترون‌های آزاد]] آن کم می باشد؛می‌باشد؛ ولی گروه دوم دارای 3۳ ناحیه هستند ولی فاصله الکترون هایالکترون‌های 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 شودمی‌شود. این انتقال انرژی در صورتی است که ولتاژی وجود ندارد ولی به میدان مغناطیسی وابسته است .

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

* ''Gale Encyclopedia of Science.'' Gale, ۲۰۰۴2004. ISBN 0-7876-7554-7

* Tinkham, Michael (2004). ''Introduction to Superconductivity (second edition)''. Dover Books on Physics. ISBN 0-486-43503-2 .

* {{یادکرد-ویکی |پیوند= http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Special:Cite&page=Superconductivity&id=116425045 |عنوان= Superconductivity|زبان=انگلیسی |بازیابی=۲۰ مارس ۲۰۰۷}}