ما هو الموصل الفائق: الأنواع والمواد والخصائص

هناك نوعان من المواد مثل المعادن وكذلك العوازل. تسمح المعادن بتدفق الإلكترونات وتحمل شحنة كهربائية معها مثل الفضة والنحاس وغيرها ، بينما تحتوي العوازل على إلكترونات ولن تسمح بتدفق الإلكترونات مثل الخشب والمطاط وما إلى ذلك. في القرن العشرين ، تم تطوير طرق معملية جديدة بواسطة علماء الفيزياء لتبريد المواد إلى درجة حرارة الصفر. بدأ التحقيق في بعض العناصر ليعرف كيف كهرباء سيتم تغييرها في ظروف مثل الرصاص والزئبق ، حيث أنها توصل الكهرباء تحت درجة حرارة معينة دون مقاومة. لقد اكتشفوا نفس السلوك في عدة مركبات مثل السيراميك إلى الأنابيب النانوية الكربونية. تتناول هذه المقالة نظرة عامة على الموصل الفائق.

ما هو الموصل الفائق؟

تعريف: تُعرف المادة التي يمكنها توصيل الكهرباء بدون مقاومة بالموصل الفائق. في معظم الحالات ، في بعض المواد مثل المركبات توفر العناصر المعدنية بخلاف ذلك قدرًا من المقاومة في درجة حرارة الغرفة ، على الرغم من أنها توفر مقاومة منخفضة عند درجة الحرارة يسمى درجة حرارته الحرجة.

موصل فائق

تتدفق الإلكترونات من ذرة إلى ذرة بشكل متكرر باستخدام مواد معينة بمجرد الوصول إلى درجة الحرارة الحرجة ، وبالتالي يمكن تسمية المادة مادة فائقة التوصيل. هؤلاء يعملون في العديد من المجالات مثل التصوير بالرنين المغناطيسي والعلوم الطبية. معظم المواد المتوفرة في السوق ليست فائقة التوصيل. لذلك يجب أن تكون في حالة طاقة منخفضة جدًا حتى تتحول إلى فائقة التوصيل. يركز البحث الحالي على تطوير المركبات لتتحول إلى فائقة التوصيل في درجات حرارة عالية.

أنواع الموصلات الفائقة

تصنف الموصلات الفائقة إلى نوعين هما النوع الأول والنوع الثاني.

أنواع الموصلات الفائقة

النوع الأول موصل فائق

يتضمن هذا النوع من الموصلات الفائقة أجزاء موصلة أساسية وتستخدم في مجالات مختلفة من الكابلات الكهربائية إلى الرقائق الدقيقة على الكمبيوتر. تفقد هذه الأنواع من الموصلات الفائقة قدرتها على التوصيل الفائق بكل بساطة عندما يتم وضعها في المجال المغناطيسي في المجال المغناطيسي الحرج (Hc). بعد ذلك ، سيصبح مثل قائد. هذه الأنواع من أشباه الموصلات تُسمى أيضًا باسم الموصلات الفائقة اللينة بسبب فقدان الموصلية الفائقة. تخضع هذه الموصلات الفائقة لتأثير مايسنر تمامًا. ال أمثلة على الموصلات الفائقة هي الزنك والألمنيوم.

النوع الثاني فائق الموصل

سيفقد هذا النوع من الموصلات الفائقة قدرته على التوصيل الفائق ببطء ولكن ليس فقط لأنه يتم ترتيبه داخل المجال المغناطيسي الخارجي. عندما نلاحظ التمثيل البياني بين المغناطيسية مقابل المجال المغناطيسي ، عندما يتم وضع النوع الثاني من أشباه الموصلات داخل مجال مغناطيسي ، فإنه يفقد الموصلية الفائقة ببطء.

سيبدأ هذا النوع من أشباه الموصلات في فقد الموصلية الفائقة في المجال المغناطيسي الأقل أهمية وإسقاط الموصلية الفائقة تمامًا في المجال المغناطيسي الأعلى. تسمى الحالة بين المجال المغناطيسي الحرج الخفيف والمجال المغناطيسي الحرج الأعلى حالة وسيطة بخلاف حالة الدوامة.

يُطلق على هذا النوع من أشباه الموصلات أيضًا اسم الموصلات الفائقة الصلبة نظرًا لسبب فقدانها للموصلية الفائقة ببطء ولكن ليس ببساطة. سوف تخضع أشباه الموصلات هذه لتأثير مايسنر ولكن ليس تمامًا. أفضل الأمثلة على ذلك هي NbN و Babi3. هذه الموصلات الفائقة قابلة للتطبيق للمغناطيسات ذات الموصلية الفائقة للمجال القوي.

مواد الموصلية الفائقة

نحن نعلم أن هناك الكثير من المواد المتاحة حيث أن بعضها سيكون فائق التوصيل. باستثناء الزئبق ، فإن الموصلات الفائقة الأصلية هي المعادن وأشباه الموصلات وما إلى ذلك. ستتحول كل مادة مختلفة إلى موصل فائق عند درجات حرارة متنوعة قليلاً

المشكلة الرئيسية في استخدام معظم هذه المواد هي أنها سوف تكون فائقة التوصيل في درجات قليلة من الصفر الكامل. هذا يعني أن أي فائدة تحققها من نقص المقاومة تكاد تخسرها بالتأكيد من تضمين تبريدها داخل المكان الأساسي.

محطة الطاقة التي تحصل على الكهرباء لمنزلك في اتجاه هبوط ثم الأسلاك فائقة التوصيل ستصدر ضوضاء باهرة. لذلك سوف يحافظ على كميات هائلة من الطاقة المستنفدة. ومع ذلك ، إذا كنت ترغب في تبريد أجزاء ضخمة وجميع أسلاك النقل داخل المصنع لإكمال الصفر ، فمن المحتمل أنك ستهدر المزيد من الطاقة.

خصائص الموصل الفائق

تظهر المواد فائقة التوصيل بعض الخصائص المدهشة التي تعتبر ضرورية للتكنولوجيا الحالية. لا يزال البحث عن هذه الخصائص جاريًا للتعرف على هذه الخصائص واستخدامها في مختلف المجالات المدرجة أدناه.

• الموصلية اللانهائية / المقاومة الكهربائية الصفرية
• تأثير مايسنر
• درجة الحرارة الانتقالية / درجة الحرارة الحرجة
• تيارات جوزيفسون
• التيار الحرج
• التيارات المستمرة

الموصلية اللانهائية / المقاومة الكهربائية الصفرية

في حالة التوصيل الفائق ، توضح المادة فائقة التوصيل المقاومة الكهربائية الصفرية. عندما يتم تبريد المادة تحت درجة حرارة التحول ، ستنخفض مقاومتها إلى الصفر فجأة. على سبيل المثال ، يظهر عطارد صفر مقاومة تحت 4K.

تأثير مايسنر

عندما يتم تبريد موصل فائق تحت درجة الحرارة الحرجة ، فإنه لا يسمح للحقل المغناطيسي بالمرور فيه. يُعرف هذا الحدوث في الموصلات الفائقة بتأثير مايسنر.

درجة الحرارة الانتقالية

تُعرف درجة الحرارة هذه أيضًا باسم درجة الحرارة الحرجة. عندما تتغير درجة الحرارة الحرجة لمادة فائقة التوصيل حالة التوصيل من الطبيعي إلى التوصيل الفائق.

جوزيفسون الحالي

إذا تم تقسيم الموصلين الفائقين بمساعدة غشاء رقيق في مادة عازلة ، فإنه يشكل تقاطعًا ذو مقاومة منخفضة لتكوين الإلكترونات بزوج نحاسي. يمكن أن ينفق من سطح واحد من التقاطع إلى السطح الآخر. لذلك يُعرف التيار بسبب تدفق أزواج النحاس باسم تيار جوزيفسون.

التيار الحرج

عندما التيار الموفر من خلال أ سائق في حالة التوصيل الفائق ، يمكن تطوير مجال مغناطيسي. إذا زاد التدفق الحالي عن معدل معين ، فيمكن تعزيز المجال المغناطيسي ، وهو ما يعادل القيمة الحرجة للموصل الذي يعود فيه هذا إلى حالته المعتادة. يُعرف تدفق القيمة الحالية بالتيار الحرج.

التيارات المستمرة

إذا تم ترتيب حلقة الموصل الفائق في مجال مغناطيسي أعلى من درجة حرارته الحرجة ، في الوقت الحالي ، تبرد حلقة الموصل الفائق تحت درجة حرارته الحرجة. إذا أزلنا هذا الحقل ، فيمكن أن يحدث تدفق التيار داخل الحلقة بسبب الحث الذاتي. من قانون لينز ، يقاوم التيار المستحث التغيير داخل التدفق الذي يتدفق عبر الحلقة. عندما يتم وضع الحلقة في حالة فائقة التوصيل ، فسيتم حث تدفق التيار لمواصلة تدفق التيار على أنه التيار المستمر. يولد هذا التيار تدفقًا مغناطيسيًا لجعل التدفق يتدفق عبر الحلقة الثابتة.

الفرق بين أشباه الموصلات والموصل الفائق

تتم مناقشة الفرق بين أشباه الموصلات والموصلات الفائقة أدناه.

تطبيقات سوبر كونكتور

تشمل تطبيقات الموصلات الفائقة ما يلي.

• هذه تستخدم في المولدات ، ومسرعات الجسيمات ، والنقل ، محركات كهربائية الحوسبة الطبية نقل الطاقة ، إلخ.
• تستخدم الموصلات الفائقة بشكل أساسي لإنشاء مغناطيس كهربائي قوي في ماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي. لذلك تستخدم هذه للقسمة. يمكن استخدامها أيضًا لفصل المواد المغناطيسية وغير المغناطيسية
• يستخدم هذا الموصل لنقل الطاقة لمسافات طويلة
• تستخدم في الذاكرة أو عناصر التخزين.

أسئلة وأجوبة

1). لماذا يجب أن تكون الموصلات الفائقة باردة؟

سيؤدي تبادل الطاقة إلى جعل المادة أكثر سخونة. لذلك بجعل أشباه الموصلات باردة ، هناك حاجة إلى كمية أقل من الطاقة لضرب الإلكترونات تقريبًا.

2). هل الذهب موصل فائق؟

أفضل الموصلات في درجة حرارة الغرفة هي الذهب والنحاس والفضة لا تتحول إلى فائقة التوصيل على الإطلاق.

3). هل من الممكن وجود موصل فائق في درجة حرارة الغرفة؟

يمكن أن يظهر الموصل الفائق في درجة حرارة الغرفة الموصلية الفائقة عند درجات حرارة حوالي 77 درجة فهرنهايت

4). لماذا لا توجد مقاومة في الموصلات الفائقة؟

في الموصل الفائق ، فإن المقاومة الكهربائية ينخفض ​​بشكل غير متوقع إلى الصفر بسبب اهتزازات وعيوب الذرات يجب أن تسبب مقاومة داخل المادة بينما تنتقل الإلكترونات من خلالها

5). لماذا يعتبر الموصل الفائق هو Diamagnet المثالي؟

عندما يتم الاحتفاظ بالمواد فائقة التوصيل داخل مجال مغناطيسي ، فإنها تدفع التدفق المغناطيسي من جسمها. عند تبريده تحت درجة حرارة حرجة ، فإنه يظهر نفاذية مغناطيسية مثالية.

وبالتالي ، فإن هذا كله يتعلق بإلقاء نظرة عامة على الموصل الفائق. يمكن للموصل الفائق توصيل الكهرباء أو نقل الإلكترونات من ذرة إلى أخرى دون مقاومة. هنا سؤال لك ، ما هي أمثلة الموصل الفائق؟
.