ابررسانایی: دنیای شگفت‌انگیز جریان برق بدون مقاومت
ابررسانایی چیست؟ یک مقایسه ساده
برای درک ابررسانایی، ابتدا باید بدانیم رسانای الکتریکی3 معمولی چیست. سیم‌های مسی که در سیم‌کشی برق خانه‌ها استفاده می‌شوند، نمونه‌ای از رساناهای خوب هستند. اما این سیم‌ها کاملاً هم بی‌عیب نیستند. وقتی جریان برق از آن‌ها عبور می‌کند، مقداری انرژی به صورت گرما تلف می‌شود. به این مانع در برابر عبور جریان برق، مقاومت الکتریکی می‌گویند.
حالا تصور کنید ماده‌ای وجود داشته باشد که وقتی تا دمای بسیار پایینی سرد شود، این مقاومت به طور کامل از بین برود. این دقیقاً تعریف ابررسانایی است. در این حالت، جریان الکتریکی می‌تواند برای همیشه و بدون از دست دادن انرژی در حلقه‌ای از ابررسانا جریان یابد.
تاریخچه کشف ابررسانایی
این پدیده در سال 1911 توسط فیزیکدان هلندی، هایک کامرلینگ اونس4 کشف شد. او در حال مطالعه روی خواص الکتریکی جیوه در دماهای بسیار پایین بود. وقتی دمای جیوه را به حدود -269 درجه سلسیوس (بسیار نزدیک به صفر مطلق5) رساند، ناگهان مقاومت الکتریکی آن به صفر رسید. این دمای بحرانی6 برای جیوه 4.2 کلوین (-268.95°C) بود.
| سال | رویداد | کاشف/ماده |
|---|---|---|
| 1911 | کشف پدیده ابررسانایی | هایک کامرلینگ اونس (جیوه) |
| 1933 | کشف اثر مایسنر7 | والتر مایسنر و رابرت اوشنفیلد |
| 1957 | ارائه نظریه BCS8 | جان باردین، لئون کوپر، جان رابرت شریفر |
| 1986 | کشف ابررساناهای دمابالا9 | یوهانس بدرنورتز و کارل الکساندر مولر |
اثر مایسنر: ویژگی منحصربه‌فرد دیگر ابررساناها
ابررسانایی فقط به معنی نبود مقاومت الکتریکی نیست. یک ویژگی بسیار مهم دیگر به نام اثر مایسنر وجود دارد. وقتی یک ماده به حالت ابررسانایی می‌رود، تمام میدان مغناطیسی را از درون خود بیرون می‌راند. این باعث می‌شود که یک آهنربا بتواند بر روی یک ابررسانا به صورت شناور در هوا قرار گیرد! این پدیده که نامیده می‌شود، یکی از چشمگیرترین نمایش‌های ابررسانایی است.
انواع ابررساناها: از فلزات سنتی تا سرامیک‌های مدرن
ابررساناها را می‌توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد:
1. ابررساناهای نوع اول: این‌ها معمولاً فلزات خالص مانند جیوه، سرب و آلومینیوم هستند. آن‌ها تنها در دماهای بسیار پایین (نزدیک به صفر مطلق) و در میدان‌های مغناطیسی نه چندان قوی، خاصیت ابررسانایی خود را حفظ می‌کنند.
2. ابررساناهای نوع دوم: این دسته معمولاً آلیاژها یا ترکیبات فلزی هستند. آن‌ها در میدان‌های مغناطیسی قوی‌تر و گاهی در دماهای کمی بالاتر نیز کار می‌کنند و از نظر فناوری کاربردی‌تر هستند.
دسته مهم دیگری به نام ابررساناهای دمابالا وجود دارد که در سال 1986 کشف شدند. این مواد سرامیکی می‌توانند در دماهای بالاتری (مثلاً -196°C که با استفاده از نیتروژن مایع قابل دستیابی است) ابررسانا شوند. اگرچه این دما هنوز هم بسیار سرد است، اما دستیابی به آن بسیار آسان‌تر و ارزان‌تر از استفاده از هلیوم مایع برای سرد کردن ابررساناهای سنتی است.
| نوع ابررسانا | نمونه مواد | دمای بحرانی تقریبی | مشخصه اصلی |
|---|---|---|---|
| نوع اول | جیوه، سرب | 4.2 K تا 7.2 K | فلزات خالص، میدان مغناطیسی بحرانی پایین |
| نوع دوم | نیوبیوم-قلع | 18 K | آلیاژها، میدان مغناطیسی بحرانی بالا |
| دمابالا | ایتریم-باریم-مس-اکسید (یک سرامیک) | 92 K (-181°C) | سرامیک‌ها، کاربرد با نیتروژن مایع |
کاربردهای شگفت‌انگیز ابررساناها در دنیای واقعی
اگرچه نیاز به سرمایش شدید، استفاده از ابررساناها را محدود کرده است، اما آن‌ها هم‌اکنون در زمینه‌های مهمی به کار گرفته می‌شوند:
• دستگاه‌های ام‌آر آی (MRI): احتمالاً مشهورترین کاربرد ابررساناها است. آهنرباهای ابررسانای غول‌پیکر در این دستگاه‌ها، میدان مغناطیسی بسیار قوی و پایداری ایجاد می‌کنند که برای تصویربرداری دقیق از درون بدن انسان ضروری است.
• قطارهای شناور مغناطیسی (مگ‌لو): این قطارها با استفاده از اثر مایسنر و شناوری مغناطیسی، در فاصله کمی از ریل شناور می‌مانند. این کار اصطکاک را به صفر می‌رساند و به آن‌ها اجازه می‌دهد با سرعت‌های بسیار بالا (بیش از 600 کیلومتر بر ساعت) حرکت کنند.
• خطوط انتقال برق: کابل‌های ابررسانا می‌توانند جریان الکتریکی را بدون هیچ تلفاتی منتقل کنند. این می‌تواند به صرفه‌جویی عظیمی در انرژی منجر شود، اما هزینه سرمایش این کابل‌ها در مسافت‌های طولانی هنوز یک چالش است.
• شتاب‌دهنده‌های ذرات: در بزرگ‌ترین آزمایشگاه‌های فیزیک جهان، مانند سرن10، از آهنرباهای ابررسانا برای هدایت ذرات پرانرژی در حلقه‌های شتاب‌دهنده استفاده می‌شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر. مس یک رسانای بسیار عالی است، اما هرگز به حالت ابررسانایی نمی‌رود. ابررسانایی یک تغییر حالت کوانتومی است که فقط در مواد خاص و تحت شرایط بسیار خاص (دمای بسیار پایین) رخ می‌دهد. مس جزو آن دسته از مواد نیست.
پاسخ: بله، در حالت ابررسانایی، مقاومت الکتریکی مستقیم (DC) دقیقاً صفر می‌شود. یک جریان الکتریکی القاشده در یک حلقه ابررسانا می‌تواند برای سال‌ها بدون کاهش قابل اندازه‌گیری ادامه یابد. با این حال، برای جریان متناوب (AC) ممکن است تلفات بسیار ناچیزی وجود داشته باشد.
پاسخ: بزرگ‌ترین چالش، نیاز به سرمایش شدید و پرهزینه است. اگر بتوان ماده‌ای ساخت که در دمای اتاق ابررسانا باشد (ابررسانای دمابالا)، این یک انقلاب تکنولوژیک عظیم خواهد بود، چرا که دیگر نیازی به سیستم‌های خنک‌کننده پیچیده و گران قیمت نخواهد بود. دانشمندان در سراسر جهان در تلاش برای یافتن چنین ماده‌ای هستند.
پاورقی
1 ابررسانایی (Superconductivity)
2 مقاومت الکتریکی (Electrical Resistance)
3 رسانای الکتریکی (Electrical Conductor)
4 Heike Kamerlingh Onnes
5 صفر مطلق (Absolute Zero): پایین‌ترین دمای ممکن در نظریه ترمودینامیک، معادل -273.15°C یا 0 K.
6 دمای بحرانی (Critical Temperature)
7 اثر مایسنر (Meissner Effect)
8 نظریه BCS (Bardeen–Cooper–Schrieffer theory): یک نظریه مکانیک کوانتومی که توضیح می‌دهد چگونه الکترون‌ها در یک ابررسانا جفت شده و بدون مقاومت حرکت می‌کنند.
9 ابررساناهای دمابالا (High-temperature Superconductors)
10 سرن (CERN): سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای.