مروری کوتاه بر نظریه‌های ابررسانایی و مشکلات ابررسانایی در دمای بالا تحلیل می‌شود. دایره المعارف مدرسه توضیح ابررسانایی
2. چه دمایی بحرانی نامیده می شود؟
دمای بحرانی دمایی است که هادی ها در آن به حالت ابررسانا می روند.3. به چه اثری ایزوتوپی می گویند؟ چرا اثر ایزوتوپی کلید توضیح ابررسانایی است؟
اثر ایزوتوپی این است که مجذور دما با جرم یون‌های شبکه کریستالی نسبت معکوس دارد. این بدان معنی است که در دمای بحرانی، ساختار شبکه کریستالی یک ابررسانا تأثیر زیادی بر حرکت الکترون ها دارد - نیروهای جاذبه حاصل بین الکترون ها از نیروهای دافعه کولن بیشتر است.4. ماهیت حرکت الکترون ها در یک ابررسانا با حرکت آنها در یک هادی چه تفاوتی دارد؟ چگونه می توان حرکت جفت کوپر را در یک ابررسانا به صورت مکانیکی مدل کرد؟
در یک رسانا، الکترون ها مستقل از یکدیگر حرکت می کنند، اما در یک ابررسانا (در دمای بحرانی) حرکات آنها به هم مرتبط است. اگر حرکت الکترون‌ها را در یک رسانا با جریانی از توپ‌هایی که از صفحه شیبدار به پایین می‌غلتند و به پین‌ها برخورد می‌کنند مقایسه کنیم، حرکت الکترون‌ها در یک ابررسانا را می‌توان به صورت حرکت یک صفحه شیبدار نشان داد، اما توپ‌ها به هم متصل هستند. جفت توسط فنر5. چرا ابررسانایی در دماهای بالاتر از حد بحرانی ناپدید می شود؟ چه چیزی توسعه امیدوارکننده ابررساناهای با دمای بالا را توضیح می دهد؟
در دماهای بالاتر از مقدار بحرانی، الکترون ها دوباره شروع به حرکت بی نظم می کنند و جفت های کوپر از بین می روند. چشم انداز توسعه ابررساناهای با دمای بالا باعث کاهش تلفات انرژی در طول انتقال در فواصل طولانی و افزایش سرعت کامپیوترها می شود.ابررسانایی، به عنوان یک پدیده، در نتیجه تشکیل جفت الکترون های کوپر که مانند یک ذره رفتار می کنند، به وجود می آید.
ابررسانایی چیز عجیبی است و تا حدی حتی غیرمعمول است. هنگامی که جریان الکتریکی از یک سیم معمولی عبور می کند، در نتیجه، در نتیجه وجود مقاومت الکتریکی روی سیم، جریان با هدف غلبه بر این مقاومت از اتم ها، کارهایی را انجام می دهد که در نتیجه گرما آزاد می شود. علاوه بر این، هر برخورد یک الکترون - یک حامل جریان - با یک اتم، الکترون را کند می کند و ترمز اتم خود گرم می شود - به همین دلیل است که مارپیچ اجاق برقی بسیار قرمز و داغ می شود. مسئله این است که مارپیچ دارای برق است مقاومتو در نتیجه، هنگامی که جریان الکتریکی از آن عبور می کند، انرژی حرارتی آزاد می کند. سانتی متر.قانون اهم).
در سال 1911، فیزیکدان تجربی هلندی هایکه کامرلینگ اوننس (1853-1926) به کشف شگفت انگیزی دست یافت. با غوطه ور کردن سیم در هلیوم مایع که دمای آن بیش از 4 درجه بالاتر از صفر مطلق نبود (که به یاد بیاورید 273- درجه سانتیگراد در مقیاس سانتیگراد یا -460 درجه فارنهایت در مقیاس فارنهایت است) دریافت که در در دمای بسیار پایین مقاومت الکتریکی تقریباً به صفر می رسد. چرا این اتفاق می افتد ، او در واقع حتی نمی توانست حدس بزند ، اما این واقعیت آشکار شد. در دماهای بسیار پایین، الکترون‌ها عملاً هیچ مقاومتی از اتم‌های شبکه کریستالی فلزی نداشتند و ابررسانایی
اما چرا این اتفاق می افتد؟ این امر تا سال 1957 مخفی باقی ماند، تا زمانی که سه فیزیکدان تجربی دیگر - جان باردین (1908-1991)، لئون کوپر (متولد 1930) و جان رابرت شریفر (متولد 1931) توضیحاتی را برای این اثر ارائه کردند. نظریه ابررسانایی اکنون به افتخار آنها "نظریه BCS" نامیده می شود - پس از حروف اول نام این فیزیکدانان.
و ماهیت آن در این واقعیت نهفته است که در دماهای بسیار پایین، اتم های فلزات سنگین به دلیل حرکت حرارتی کم خود عملاً ارتعاش نمی کنند و می توان آنها را تقریباً ساکن در نظر گرفت. از آنجایی که هر فلز خاصیت رسانایی الکتریکی ذاتی فلز را دارد تنها به این دلیل که الکترون‌های لایه بیرونی را به حالت شناور آزاد آزاد می‌کند. سانتی متر.پیوندهای شیمیایی)، ما چیزی را داریم که داریم: هسته های یونیزه شده با بار مثبت شبکه کریستالی و الکترون های با بار منفی آزادانه بین آنها "شناور" هستند. و اکنون هادی تحت تأثیر اختلاف پتانسیل الکتریکی قرار می گیرد. الکترون ها - خواسته یا ناخواسته - حرکت می کنند، آزاد هستند، بین هسته های دارای بار مثبت. با این حال، هر بار، آنها به طور ضعیف با هسته ها (و بین خودشان) تعامل می کنند، اما بلافاصله "فرار می کنند". با این حال، در همان زمان که الکترون‌ها بین دو هسته با بار مثبت «لغزش» می‌کنند، به نظر می‌رسد که حواس آنها را به سمت خود منحرف می‌کنند. در نتیجه، پس از "لغزش" یک الکترون بین دو هسته، آنها برای مدت کوتاهی به هم نزدیک می شوند. سپس دو هسته، البته، به آرامی از هم دور می شوند، اما کار تمام شده است - یک پتانسیل مثبت به وجود آمده است، و الکترون های دارای بار منفی بیشتر و بیشتر به سمت آن جذب می شوند. مهمترین چیز در اینجا درک این است: با توجه به این واقعیت که یک الکترون بین اتم ها "لغزش" می کند، در نتیجه شرایط انرژی مطلوبی برای پیشروی الکترون دیگر ایجاد می کند. در نتیجه، الکترون ها در داخل ساختار اتمی-کریستالی به صورت جفت حرکت می کنند - آنها به سادگی نمی توانند انجام دهند، زیرا این از نظر انرژی برای آنها نامطلوب است. برای درک بهتر این تأثیر می توان از قیاسی از دنیای ورزش استفاده کرد. دوچرخه سواران در پیست اغلب از تاکتیک های "پیش نویسی" (یعنی "آویزان کردن روی دم" حریف) استفاده می کنند و در نتیجه مقاومت هوا را کاهش می دهند. الکترون ها همین کار را می کنند و تشکیل می دهند جفت کوپر.
درک این نکته در اینجا مهم است که در دمای بسیار پایین همهالکترون ها جفت کوپر را تشکیل می دهند. حال تصور کنید که هر یک از این جفت ها یک دسته رشته مانند است که در هر انتهای آن یک الکترون شارژ وجود دارد. حالا تصور کنید که در مقابل شما یک کاسه کامل از این نوع "نودل ها" است: همه از جفت های کوپر در هم تنیده شده اند. به عبارت دیگر، الکترون های یک فلز ابررسانا به صورت جفت با یکدیگر برهم کنش می کنند و تمام انرژی آنها صرف این امر می شود. بر این اساس، الکترون‌ها برای برهمکنش با هسته‌های اتم‌های شبکه بلوری صرفاً انرژی ندارند. سرانجام کار به جایی می رسد که الکترون ها آنقدر کند می شوند که چیزی برای از دست دادن (از نظر انرژی) باقی نمی مانند و هسته های اطراف آنها آنقدر "خنک می شوند" که دیگر قادر به "آهسته کردن" الکترون های آزاد نیستند. در نتیجه، الکترون‌ها شروع به حرکت بین اتم‌های فلز می‌کنند و در اثر برخورد با اتم‌ها عملاً هیچ انرژی از دست نمی‌دهند و مقاومت الکتریکی ابررسانا به صفر می‌رسد. باردین، کوپر و شریفر برای کشف و توضیح اثر ابررسانایی جایزه نوبل را در سال 1972 دریافت کردند.
سال ها از آن زمان می گذرد و ابررسانایی از یک پدیده منحصر به فرد و کنجکاو آزمایشگاهی به یک واقعیت پذیرفته شده عمومی و منبع درآمد چند میلیارد دلاری برای شرکت های صنعت الکترونیک تبدیل شده است. نکته این است که هر جریان الکتریکی میدان مغناطیسی را در اطراف خود تحریک می کند ( سانتی متر.قانون القای الکترومغناطیسی فارادی). از آنجایی که ابررساناها جریان را برای مدت طولانی بدون تلفات در دمای بسیار پایین هدایت می کنند، آنها یک ماده ایده آل برای ساخت آهنرباهای الکتریکی هستند. و اگر تا به حال تحت یک روش تشخیصی پزشکی به نام توموگرافی الکترونی قرار گرفته اید که بر روی یک اسکنر با استفاده از اصل تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) انجام می شود، شاید بدون اینکه بدانید فقط چند سانتی متر از آهنرباهای الکترونی ابررسانا فاصله داشتید. آنها هستند که زمینه ای را ایجاد می کنند که به پزشکان امکان می دهد تصاویر مقطعی با دقت بالا از بافت بدن انسان بدون نیاز به استفاده از چاقوی جراحی بدست آورند.
ابررساناهای مدرن وقتی تا دمای حدود 20 کلوین (بیست درجه بالاتر از صفر مطلق) گرم می شوند، خواص منحصر به فرد خود را حفظ می کنند. برای مدت طولانی این حد دمای ابررسانایی در نظر گرفته می شد. با این حال، در سال 1986، کارمندان آزمایشگاه سوئیسی شرکت کامپیوتری IBM، گئورگ بدنورز (متولد 1950) و الکساندر مولر (متولد 1927) آلیاژی را کشف کردند که خواص ابررسانایی آن در 30K حفظ می شود. امروزه علم موادی را می شناسد که حتی در دمای 160K (یعنی درست زیر 100- درجه سانتی گراد) ابررسانا باقی می مانند. در عین حال، نظریه عمومی پذیرفته شده که این طبقه را توضیح می دهد ابررسانایی دمای بالا، هنوز ایجاد نشده است، اما کاملاً واضح است که توضیح آن در چارچوب نظریه BCS غیرممکن است. ابررساناهای با دمای بالا به دلیل هزینه و شکنندگی بسیار زیاد، امروزه کاربرد عملی پیدا نکرده‌اند، اما پیشرفت‌ها در این راستا ادامه دارد.
جان باردین، 1908-91
فیزیکدان آمریکایی، یکی از معدود برندگان دو بار جایزه نوبل. در مدیسون، ویسکانسین در خانواده یک استاد آسیب شناس به دنیا آمد. در دانشگاه های مدیسون و پرینستون تحصیل کرده است. در وقفه تحصیلی سال اول و دوم، چندین سال در شرکت نفت گلف اویل به عنوان زلزله شناس-کاوشگر ذخایر نفتی مشغول به کار شد. در طول جنگ جهانی دوم در آزمایشگاه ناوبری نیروی دریایی ایالات متحده در واشنگتن خدمت کرد و پس از جنگ در آزمایشگاه رادیویی شرکت تلفن بل کار کرد و در آنجا ترانزیستور را اختراع کرد و به همین دلیل اولین جایزه نوبل فیزیک خود را دریافت کرد. در سال 1956 پس از این، باردین در دانشگاه ایلینویز استاد شد و در آنجا شروع به توسعه تئوری BCS کرد که برای آن همراه با نویسندگان همکارش برای دومین بار در سال 1972 جایزه نوبل را دریافت کرد.
(77 K)، یک مایع برودتی بسیار ارزان‌تر.
یوتیوب دایره المعارفی
1 / 5
✪ درس 296. وابستگی دمایی مقاومت فلزات. ابررسانایی
✪ ابررسانایی جریان الکتریکی در محیط های مختلف فیلم آموزشی
✪ ابررسانا و جابجایی کوانتومی!
✪ ابررسانایی (به روایت فیزیکدان بوریس فاین)
✪ هدایت الکتریکی مواد مختلف | فیزیک پایه 10 #57 | درس اطلاعات
زیرنویس
تاریخچه کشف
مبنای کشف پدیده ابررسانایی، توسعه فناوری هایی برای خنک کردن مواد در دماهای بسیار پایین بود. در سال 1877، مهندس فرانسوی لوئیس کیت و فیزیکدان سوئیسی رائول پیکتت به طور مستقل اکسیژن را به حالت مایع خنک کردند. در سال 1883، Zygmunt Wróblewski و Karol Olszewski مایع سازی نیتروژن را انجام دادند. در سال 1898، جیمز دوار موفق به بدست آوردن هیدروژن مایع شد.
در سال 1893، فیزیکدان هلندی Heike Kamerlingh Onnes شروع به مطالعه مشکل دمای بسیار پایین کرد. او موفق به ایجاد بهترین آزمایشگاه برودتی در جهان شد که در آن هلیوم مایع را در 10 ژوئیه 1908 به دست آورد. بعداً او توانست دمای آن را به 1 کلوین برساند. Kamerlingh Onnes از هلیوم مایع برای مطالعه خواص فلزات، به ویژه برای اندازه گیری وابستگی مقاومت الکتریکی آنها به دما استفاده کرد. طبق تئوری های کلاسیکی که در آن زمان وجود داشت، مقاومت باید به آرامی با کاهش دما کاهش یابد، اما این عقیده نیز وجود داشت که در دماهای خیلی پایین، الکترون ها عملا متوقف می شوند و فلز به طور کامل هدایت جریان را متوقف می کند. آزمایش‌هایی که کامرلینگ اونس با دستیارانش کورنلیس دورسمن و ژیل هولست انجام داد، در ابتدا نتیجه‌گیری در مورد کاهش آرام مقاومت را تأیید کرد. با این حال، در 8 آوریل 1911، او به طور غیرمنتظره ای کشف کرد که در 3 کلوین (حدود -270 درجه سانتیگراد) مقاومت الکتریکی عملاً صفر است. آزمایش بعدی که در 11 می انجام شد، نشان داد که افت شدید مقاومت به صفر در دمای حدود 4.2 کلوین رخ می دهد (بعداً اندازه گیری های دقیق تر نشان داد که این دما 4.15 کلوین است). این تأثیر کاملاً غیرمنتظره بود و با نظریه های موجود در آن زمان قابل توضیح نبود.
مقاومت صفر تنها ویژگی متمایز ابررساناها نیست. یکی از تفاوت های اصلی بین ابررساناها و هادی های ایده آل، اثر مایسنر است که توسط والتر مایسنر و رابرت آکسنفلد در سال 1933 کشف شد.
بعداً کشف شد که ابررساناها به دو خانواده بزرگ تقسیم می شوند: ابررساناهای نوع I (که به طور خاص شامل جیوه است) و نوع II (که معمولاً آلیاژهای فلزات مختلف هستند). کار L.V. Shubnikov در دهه 1930 و A.A. Abrikosov در دهه 1950 نقش مهمی در کشف ابررسانایی نوع دوم ایفا کرد.
کشف ابررساناهایی که قادر به مقاومت در برابر میدان های مغناطیسی قوی و انتقال چگالی جریان بالا بودند، از اهمیت زیادی برای کاربردهای عملی در آهنرباهای الکتریکی پرقدرت برخوردار بود. بنابراین، در سال 1960، تحت رهبری J. Künzler، ماده Nb 3 Sn کشف شد، سیمی که از آن قادر به عبور جریانی با چگالی تا 100 کیلو آمپر بر سانتی متر مربع در دمای 4.2 کلوین است. میدان مغناطیسی 8.8 T
در سال 2015، رکورد جدیدی برای دمایی که در آن ابررسانایی به دست می آید، ثبت شد. برای H2S (سولفید هیدروژن) در فشار 100 گیگا پاسکال، یک انتقال ابررسانا در دمای 203 K (70- درجه سانتیگراد) ثبت شد.
طبقه بندی
معیارهای مختلفی برای طبقه بندی ابررساناها وجود دارد. در اینجا موارد اصلی وجود دارد:
خواص ابررساناها
مقاومت الکتریکی صفر
برای جریان الکتریکی مستقیم، مقاومت الکتریکی یک ابررسانا صفر است. این در آزمایشی نشان داده شد که در آن یک جریان الکتریکی در یک ابررسانای بسته القا شد که به مدت 2.5 سال بدون تضعیف در آن جریان داشت (آزمایش با اعتصاب کارگرانی که مایعات برودتی را تحویل می‌دادند قطع شد).
ابررساناها در یک میدان فرکانس بالا
به بیان دقیق، این جمله که مقاومت ابررساناها صفر است، فقط برای جریان الکتریکی مستقیم صادق است. در میدان الکتریکی متناوب، مقاومت یک ابررسانا غیر صفر است و با افزایش فرکانس میدان افزایش می یابد. این اثر، به زبان مدل دو سیال یک ابررسانا، با حضور، همراه با کسر ابررسانای الکترون‌ها، الکترون‌های معمولی توضیح داده می‌شود که تعداد آنها، اما، کم است. هنگامی که یک ابررسانا در یک میدان ثابت قرار می گیرد، این میدان در داخل ابررسانا صفر می شود، زیرا در غیر این صورت الکترون های ابررسانا تا بی نهایت شتاب می گیرند که غیرممکن است. با این حال، در مورد یک میدان متناوب، میدان داخل ابررسانا غیر صفر است و همچنین الکترون های معمولی را شتاب می دهد، که هر دو مقاومت الکتریکی محدود و تلفات حرارتی ژول با آن مرتبط هستند. این اثر مخصوصاً برای چنین فرکانس‌هایی از نور که انرژی کوانتومی برای آنها وجود دارد، مشخص است h ν (\displaystyle h\nu)برای انتقال یک الکترون ابررسانا به گروه الکترون های عادی کافی است. این فرکانس معمولاً در ناحیه مادون قرمز (حدود 10 11 هرتز) قرار دارد، بنابراین، در محدوده مرئی، ابررساناها عملاً تفاوتی با فلزات معمولی ندارند.
انتقال فاز به حالت ابررسانا
محدوده دمایی انتقال به حالت ابررسانا برای نمونه های خالص از هزارم کلوین تجاوز نمی کند و بنابراین یک مقدار معین منطقی است. تی اس- دمای انتقال به حالت ابررسانا. این مقدار نامیده می شود دمای انتقال بحرانی. عرض فاصله انتقال به ناهمگنی فلز، در درجه اول به وجود ناخالصی ها و تنش های داخلی بستگی دارد. دمای شناخته شده فعلی تی اساز 0.0005 K برای منیزیم (Mg) تا 23.2 K برای ترکیب بین فلزی نیوبیم و ژرمانیوم (Nb 3 Ge، در فیلم) و 39 K برای دیبورید منیزیم (2) برای ابررساناهای با دمای پایین تغییر می کند. تی اسزیر 77 کلوین، نقطه جوش نیتروژن مایع، تا حدود 135 کلوین برای ابررساناهای با دمای بالا حاوی جیوه.
در حال حاضر، فاز HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 + d (Hg-1223) دارای بالاترین مقدار شناخته شده دمای بحرانی - 135 K است و در فشار خارجی 350 هزار اتمسفر دمای انتقال به 164 کلوین افزایش می یابد. تنها 19 کلوین کمتر از حداقل دمای ثبت شده در شرایط طبیعی در سطح زمین است. بنابراین، ابررساناها در توسعه خود از جیوه فلزی (4.15 K) به ابررساناهای دارای جیوه با دمای بالا (164 K) تبدیل شده اند. در سال 2000، نشان داده شد که فلوئوراسیون جزئی سرامیک های جیوه ای فوق الذکر به فرد اجازه می دهد تا دمای بحرانی را در فشار معمولی تا 138 کلوین افزایش دهد.
انتقال یک ماده به حالت ابررسانا با تغییر در خواص حرارتی آن همراه است. با این حال، این تغییر به نوع ابررساناهای مورد نظر بستگی دارد. بنابراین، برای ابررسانای نوع I در غیاب میدان مغناطیسی در دمای انتقال تی سیگرمای انتقال (جذب یا رهاسازی) به صفر می‌رسد و در نتیجه دچار جهش در ظرفیت گرمایی می‌شود که مشخصه یک انتقال فاز از نوع ΙΙ است. این وابستگی دمایی ظرفیت گرمایی زیرسیستم الکترونیکی یک ابررسانا نشان دهنده وجود شکاف انرژی در توزیع الکترون ها بین حالت پایه ابررسانا و سطح تحریکات اولیه است. هنگامی که انتقال از حالت ابررسانا به حالت عادی با تغییر میدان مغناطیسی اعمال شده انجام می شود، گرما باید جذب شود (به عنوان مثال، اگر نمونه از نظر حرارتی عایق باشد، دمای آن کاهش می یابد). و این مربوط به یک انتقال فاز از مرتبه 1 است. برای ابررسانای نوع II، انتقال از حالت ابررسانا به حالت عادی تحت هر شرایطی، انتقال فاز نوع II خواهد بود.
اثر مایسنر
یکی از ویژگی‌های مهم‌تر یک ابررسانا نسبت به مقاومت الکتریکی صفر، اثر مایسنر است که شامل جابجایی یک میدان مغناطیسی ثابت از یک ابررسانا است. از این مشاهدات تجربی به این نتیجه می‌رسد که جریان‌های مداومی در داخل ابررسانا وجود دارد که میدان مغناطیسی داخلی ایجاد می‌کند که مخالف میدان مغناطیسی اعمال‌شده خارجی است و آن را جبران می‌کند.
اثر ایزوتوپی
اثر ایزوتوپیبرای ابررساناها این دما است تی اسبا ریشه های مربع جرم اتمی ایزوتوپ های همان عنصر ابررسانا نسبت معکوس دارند. در نتیجه، آماده‌سازی‌های مونوایزوتوپی تا حدودی در دماهای بحرانی از مخلوط طبیعی و از یکدیگر متفاوت هستند.
لحظه لندن
ابررسانای دوار میدان مغناطیسی درستی با محور چرخش ایجاد می کند، گشتاور مغناطیسی حاصل را «لمان لندن» می نامند. این به ویژه در ماهواره علمی Gravity Probe B مورد استفاده قرار گرفت، جایی که میدان های مغناطیسی چهار ژیروسکوپ ابررسانا برای تعیین محورهای چرخش آنها اندازه گیری شد. از آنجایی که روتورهای ژیروسکوپ کره‌هایی تقریباً کاملاً صاف بودند، استفاده از لحظه لندن یکی از معدود راه‌ها برای تعیین محور چرخش آنها بود.
لحظه گرانش مغناطیسی لندن
حلقه ای از ابررسانا در حال چرخش و در عین حال شتاب دهنده، یعنی افزایش فرکانس چرخش، میدان گرانشی ایجاد می کند. آزمایش‌های مربوط به گشتاور گرانشی لندن توسط مارتین تاجمار از شرکت اتریشی ARC Seibersdorf Research و کلوویس د ماتوس از آژانس فضایی اروپا (ESA) در سال 2006 انجام شد. آزمایشگران برای اولین بار میدان گرانشی مغناطیسی را که به طور مصنوعی به این روش ایجاد شده بود اندازه گیری کردند. تاجمار و دی ماتوس معتقدند که این اثر معمای تفاوت بین جرم جفت‌های کوپر که قبلاً با دقت بالا اندازه‌گیری شده بود (اینها الکترون‌هایی هستند که رسانایی در یک ابررسانا را فراهم می‌کنند) و همان جرم به‌دست‌آمده روی کاغذ را توضیح می‌دهد - طبق محاسبات نظریه کوانتومی. .
محققان اثر گرانشی کشف شده تجربی را "لحظه گرانشی لندن" نامیدند، به قیاس با اثر مغناطیسی مشابه: ظهور یک میدان مغناطیسی در طول چرخش یک ابررسانا، به نام "لحظه لندن".
میدان ایجاد شده به این ترتیب 100 میلیون بار ضعیف تر از میدان گرانشی زمین بود. و اگرچه این اثر توسط نظریه نسبیت عام پیش‌بینی شده بود، این قدرت میدان 20 مرتبه قدر قوی‌تر از مقدار محاسبه‌شده بود.
توضیح نظری اثر ابررسانایی
یک نظریه میکروسکوپی کاملاً رضایت‌بخش در مورد ابررسانایی در حال حاضر وجود ندارد.
قبلاً در مراحل نسبتاً اولیه مطالعه ابررسانایی، حداقل پس از ایجاد نظریه گینزبورگ-لانداو، آشکار شد که ابررسانایی نتیجه اتحاد تعداد ماکروسکوپی الکترون های رسانا در یک حالت مکانیکی کوانتومی منفرد است. ویژگی الکترون‌های محدود شده در چنین مجموعه‌ای این است که نمی‌توانند انرژی را با شبکه در بخش‌های کوچک مبادله کنند، کمتر از انرژی پیوندشان در مجموعه. به این معنی که وقتی الکترون ها در یک شبکه کریستالی حرکت می کنند، انرژی الکترون ها تغییر نمی کند و این ماده مانند یک ابررسانا با مقاومت صفر رفتار می کند. تجزیه و تحلیل مکانیک کوانتومی نشان می دهد که در این مورد هیچ پراکندگی امواج الکترونی توسط ارتعاشات حرارتی شبکه یا ناخالصی ها وجود ندارد. و این به معنای عدم وجود مقاومت الکتریکی است. چنین ترکیبی از ذرات در مجموعه ای از فرمیون ها غیرممکن است. این مشخصه مجموعه ای از بوزون های یکسان است. این واقعیت که الکترون‌ها در ابررساناها در جفت‌های بوزونی ترکیب می‌شوند، از آزمایش‌های اندازه‌گیری مقدار کوانتوم شار مغناطیسی که در استوانه‌های ابررسانای توخالی «یخ زده» است، ناشی می‌شود. بنابراین، در اواسط قرن بیستم، وظیفه اصلی ایجاد نظریه ابررسانایی، توسعه مکانیزمی برای جفت شدن الکترون بود. اولین نظریه ای که مدعی ارائه توضیح میکروسکوپی از علل ابررسانایی بود، نظریه Bardeen - Cooper - Schrieffer بود که توسط آنها در دهه 50 قرن بیستم ایجاد شد. این نظریه با نام BCS به رسمیت شناخته شد و در سال 1972 جایزه نوبل را دریافت کرد. هنگام ایجاد نظریه خود، نویسندگان بر اثر ایزوتوپی، یعنی تأثیر جرم ایزوتوپ بر دمای بحرانی ابررسانا تکیه کردند. اعتقاد بر این بود که وجود آن به طور مستقیم نشان دهنده تشکیل یک حالت ابررسانا به دلیل عملکرد مکانیسم فونون است.
تئوری BCS برخی از سوالات را بی پاسخ گذاشت. بر اساس آن، حل مشکل اصلی غیرممکن است - توضیح اینکه چرا ابررساناهای خاص یک یا آن دمای بحرانی دارند. علاوه بر این، آزمایش‌های بیشتر با جایگزین‌های ایزوتوپی نشان داد که به دلیل ناهماهنگی ارتعاشات نقطه صفر یون‌ها در فلزات، تأثیر مستقیم جرم یون بر فواصل بین یونی در شبکه و بنابراین مستقیماً بر انرژی فرمی وجود دارد. فلز بنابراین، مشخص شد که وجود اثر ایزوتوپی دلیلی بر مکانیسم فونون نیست، زیرا تنها عامل ممکن برای جفت شدن الکترون‌ها و وقوع ابررسانایی است. نارضایتی از نظریه BCS در سال‌های بعد به تلاش برای ایجاد مدل‌های دیگری مانند مدل نوسانات اسپین و مدل دوقطبی منجر شد. با این حال، اگرچه آنها مکانیسم های مختلفی را برای ترکیب الکترون ها به صورت جفت در نظر گرفتند، اما این پیشرفت ها همچنین منجر به پیشرفت در درک پدیده ابررسانایی نشد.
مشکل اصلی نظریه BCS وجود . است که با این نظریه قابل توصیف نیست.
کاربردهای ابررسانایی
پیشرفت قابل توجهی در دستیابی به ابررسانایی در دمای بالا صورت گرفته است. بر اساس سرامیک های فلزی، به عنوان مثال، ترکیب YBa 2 Cu 3 O x، موادی به دست آمده اند که دمای آنها تی سیانتقال به حالت ابررسانا بیش از 77 K (دمای مایع نیتروژن) است. متأسفانه، تقریباً همه ابررساناهای با دمای بالا از نظر فناوری پیشرفته نیستند (شکننده، فاقد خواص پایدار و غیره) هستند، در نتیجه ابررساناهای مبتنی بر آلیاژهای نیوبیوم هنوز عمدتاً در فناوری استفاده می شوند.
پدیده ابررسانایی برای تولید میدان های مغناطیسی قوی (مثلاً در سیکلوترون ها) استفاده می شود، زیرا در هنگام عبور جریان های قوی از ابررسانا، تلفات حرارتی وجود ندارد و میدان های مغناطیسی قوی ایجاد می کند. اما با توجه به اینکه میدان مغناطیسی حالت ابررسانایی را از بین می برد، برای به دست آوردن میدان های مغناطیسی قوی از میدان های به اصطلاح مغناطیسی استفاده می شود. ابررساناهای نوع دوم که در آنها همزیستی ابررسانایی و میدان مغناطیسی امکان پذیر است. در چنین ابررساناهایی، یک میدان مغناطیسی باعث پیدایش رشته‌های نازکی از فلز معمولی می‌شود که در نمونه نفوذ می‌کنند، که هر کدام حامل یک کوانتوم شار مغناطیسی هستند (گرداب‌های آبریکوسوف). ماده بین رشته ها ابررسانا باقی می ماند. از آنجایی که هیچ اثر کامل مایسنر در ابررسانای نوع II وجود ندارد، ابررسانایی تا مقادیر میدان مغناطیسی بسیار بالاتر وجود دارد. اچ ج 2. ابررساناهای زیر عمدتاً در فناوری استفاده می شوند:
دستگاه های حلقه ابررسانای مینیاتوری - SQUIDS که عملکرد آنها بر اساس ارتباط بین تغییرات شار مغناطیسی و ولتاژ است، در کاربردهای مهم یافت می شوند. آنها بخشی از مغناطیس‌سنج‌های فوق حساس هستند که میدان مغناطیسی زمین را اندازه‌گیری می‌کنند و همچنین در پزشکی برای به دست آوردن مگنتوگرام‌های اندام‌های مختلف استفاده می‌شوند.
از ابررساناها در مگلوها نیز استفاده می شود.
پدیده وابستگی دمای انتقال به حالت ابررسانا به بزرگی میدان مغناطیسی در کرایوترون ها - مقاومت های کنترل شده استفاده می شود.
همچنین ببینید
یادداشت
- کشف ابررسانایی - فصلی از کتاب جی. تریگ "فیزیک قرن بیستم: آزمایش های کلیدی"
- دیرک ون دلفت و پیتر کز.
پدیده ابررسانایی در مواد
پدیده ابررسانایی اولین بار در سال 1911 توسط یک دانشمند هلندی کشف شد. . از آن زمان، جستجوهای فشرده برای موارد جدید انجام شده است مواد ابررساناکه امکان استفاده از این پدیده را در دستگاه های خاص با حداکثر سود انرژی و اقتصادی فراهم می کند. دانشمند هلندی G. Kamerlingh-Onkes پدیده ابررسانایی را کشف کرد. ابررسانایی چشم انداز فوق العاده ای را برای مهندسی برق، انرژی و حمل و نقل باز می کند. از این گذشته ، اگر مقاومت هادی صفر باشد ، می توان جریان خودسرانه زیادی را از آن عبور داد و مطلقاً هیچ تلفات گرمایی وجود نخواهد داشت. این یک رویای مهندسان برق است! در اثر گرمایش سیم‌های معمولی، تا 20 درصد از کل برق تولیدی به‌طور جبران‌ناپذیری از دست می‌رود و در خطوط برق ساخته شده از ابررسانا، تلفات ناچیز خواهد بود. پروفسور آمریکایی ریچارد مک فیمحاسبه کرد که یک کابل ابررسانای نازک به اندازه بازو می تواند تمام توان تولید شده توسط نیروگاه های ایالات متحده را تحمل کند. فرصت دریافت میدان های مغناطیسی فوق العاده قوی، که در هنگام ایجاد راکتورهای گرما هسته ای، طراحی منحصر به فرد ژنراتورهای جریان، دستگاه های فیزیکی جدید، قطارهای شناور مغناطیسی و بسیاری موارد مفید دیگر بسیار ضروری هستند.پدیده ابررسانایی در کامپوزیت ها
پدید آوردن کامپوزیت ها، می توانید خواص فیزیکی لازم را تشکیل دهید و از این طریق انواع مشکلات فیزیکی را حل کنید. یکی از آنها خلقت است دستگاه های ابررسانا. این یک مشکل بسیار بزرگ است، افراد از مشاغل مختلف درگیر کار روی آن هستند. وظیفه فیزیکدانان و شیمیدانان به دست آوردن موادی است که دارای ابررسانایی هستند. و استفاده از مواد ابررسانا از قبل شناخته شده برای ایجاد یک محصول خاص - یک سیم ابررسانا - یک کار معمولی برای دانشمندان مواد است.سیم ابررسانا - کامپوزیت
سالها تحقیق تئوری و تجربی فیزیکدانان را در مورد طراحی سیم های ابررسانا به این نتیجه رسانده است: برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد. سیم ابررسانااگر نشان دهد ممکن است کامپوزیت، متشکل از یک ماتریس رسانای حرارتی (مثلاً مس) است که در آن الیاف ابررسانای پیوسته به طور مساوی توزیع شده اند و در امتداد محور سیم قرار دارند.
سیم مسی ابررسانا مطلوب است که قطر این الیاف از چند میکرومتر تجاوز نکند و تعداد آنها به هزار یا ده هزار اندازه گیری شود. در این حالت، غلظت حجمی الیاف در ماتریس باید 5-7٪ باشد و قطر کل سیم باید حدود 1 میلی متر باشد. الیاف ابررسانا
وظیفه دانشمندان مواد این است که یاد بگیرند چگونه چنین سیمی تولید کنند؛ این کار آسانی نیست. واقعیت این است که روش های سنتی برای حل آن مناسب نیستند:- هیچ فیبر ابررسانا با قطر میکرومتر که صدها متر یا کیلومتر طول داشته باشد وجود ندارد.
- حتی اگر آنها وجود داشته باشند، به سختی می توان تضمین کرد که در طول پردازش در جایی شکسته نمی شوند، به این معنی که هیچ اطمینانی به کیفیت کامپوزیت و قابلیت اطمینان آن وجود نخواهد داشت.
برنز به عنوان ماده ای برای ایجاد فیبر ابررسانا. نقطه ضعف ماتریس برنز کاهش هدایت حرارتی و الکتریکی در مقایسه با مس است. این عیب را می توان با استفاده از ماتریس مخلوط شامل مس خالص همراه با برنز کاهش داد. اما هنگامی که مس گرم می شود، می تواند با قلع واکنش نشان دهد، که دوباره عملکرد الکتریکی و ترموفیزیکی آن را بدتر می کند. برای جلوگیری از این اتفاق باید موانعی بین مس و برنز قرار داد که باعث کاهش جریان های گردابی نیز می شود. تانتالیوم برای این منظور مناسب است. سیم حاوی الیاف Nb 3 Sn چگونه است؟ از نظر شماتیک، ساختار آن از 19 چند ضلعی تشکیل شده است که شکل آنها نزدیک به شش ضلعی است - اینها سیم هایی هستند که از برنز ساخته شده اند - کامپوزیت Nb 3 Sn. همه آنها در یک ماتریس مس قرار دارند. سطح مقطع یکی از این سیم ها شامل 187 گروه حاوی الیاف Nb 3 Sn است که هر گروه شامل 19 الیاف است و بین آنها یک ماتریس برنز قرار دارد. در مجموع، سیم کامپوزیت حاوی 67507 الیاف با قطر ~ 5 میکرومتر است (یا بهتر است بگوییم، هر فیبر از یک هسته نیوبیم تشکیل شده است که با لایه ای از Nb 3 Sn به ضخامت 1 میکرومتر پوشیده شده است). برای تکمیل فرآیند ساخت، کل کامپوزیت به شکل مستطیل در می آید تا بتوان آن را محکم روی هسته پیچید. چنین هادی مرکب مستطیلی با سطح مقطع 1.75x5.46 میلی متر، قادر به عبور جریان 5000 A در میدان 6 T و 1250 A در میدان 12 T است. اما الزامات فنی هر سال در حال افزایش است. و برای دیدار با آنها، موادی با خواص حتی بالاتر. این بدان معناست که ما باید بیشتر پیش برویم، ایده‌های جدید را مطرح کنیم، فناوری‌های جدید را توسعه دهیم، ایده‌های جدید ایجاد کنیم.
بارگذاری...