مهمترین خواص ابررسانا‌ها

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: درمورد مهمترین خواص ابررسانا‌ها می‌توان به موارد ذیل اشاره داشت.

۱. مقاومت ناچیز در مقابل عبور جریان مستقیم و توانایی عبور چگالی جریان بالا: امروزه صرفه‌جویی در مصرف انرژی، یکی از مهم‌ترین نیازهای کشورهای صنعتی است.

 

بودجه‌های زیادی صرف تحقیقات در زمینه کشف راه‌های تازه و موثرتر برای یافتن انرژی‌های ارزان و با ریسک کمتر می‌شود. برپایة این پدیده، بارهای الکتریکی می‌توانند بدون تلفات گرمایی از یک رسانا عبور کنند. بنابراین ابررسانایی با نقشی که می‌تواند در زمینه صرفه جویی در تولید و انتقال انرژی الکتریکی بازی کند، در آینده بشر نقشی اساسی خواهد داشت و به همین دلیل در سالهای اخیر بیش از ده هزار پژوهشگر با صرف هزینه‌های زیاد، تحقیقات خود را روی موضوع ابررسانایی و کاربردهای آن در علوم مختلف متمرکز ساخته‌اند. با توجه به مقاومت تقریباٌ صفر، ابررسانا‌ها درشبکه‌های توزیع و انتقال و همچنین ماشینهای الکتریکی قابل استفاده هستند. این خاصیت باعث می‌شود که اگر جریانی در یک ابررسانا ایجاد شود، بدون کاهش قابل توجهی برای مدت طولانی برقرار بماند. همینطور شدت جریان عبوری از ابررسانا نیز به علت فقدان افت اهمی بسیار بالاست. برای مثال آلیاژ نیوبیوم و تیتانیوم که در درجه حرارت ۴ / ۴ کلوین به حالت ابررسانایی می‌رسد قادر به عبور جریان ۲۰۰۰ آمپر بر میلیمتر مربع در شدت میدان ۵ تسلا است. این چگالی صد بار بیشتر از چگالی جریان در سیمهای مسی معمولی است. البته در صورت افزایش چگالی جریان از حد معینی، ابررسانا در وضعیت مقاومتی قرار می‌گیرد و خصوصیت ابررسانایی را از دست خواهد داد. جریان یا چگالی جریانی که ابررسانا می‌تواند از خود عبور دهد و خاصیت ابررسانایی را از دست ندهد به جریان بحرانی یا چگالی جریان بحرانی معروف است.


۲. توانایی در تولید میدانهای مغناطیسی قوی: پدیدة ابررسانایی در فن‌آوری‌های جدید از توانایی‌های گسترده‌ای برخوردار است. خواص ابررسانایی در مواد، علاوه بر دمای محیط و شدت جریان عبوری، به میدان مغناطیسی هم بستگی دارد. یعنی حتی اگر جسم در دمایی پایین‌تر از حد ابررسانایی باشد، وقتی میدان مغناطیسی از میزان مشخصی بیشتر باشد، خاصیت ابررسانایی از بین خواهد رفت. از این میدان‌ها می‌توان در قطارهای مغناطیسی استفاده کرد. شدت این میدان‌ها برای آلیاژ نیوبیوم و تیتانیوم (NbTi) به حدود ۱۰ تسلا نیز می‌رسد. شدت میدان مغناطیسی در جهت از بین بردن خاصیت ابررسانایی عمل می‌کند. میدان بحرانی به شدت میدانی اشاره دارد که ابررسانا خاصیت خود را در آن شدت میدان از دست می‌دهد. برای توضیح خصوصیات مغناطیسی ابررسانا، فرض کنید که در غیاب هر گونه مغناطیسی ابتدا مقاومت ابررسانا با سرد شدن از بین برود و سپس میدان مغناطیسی به آن اعمال شود. به دلیل آنکه چگالی شار نمی‌تواند در داخل فلز تغییر کند، باید حتی بعد از اعمال میدان مغناطیسی نیز صفر باقی بماند. در واقع اعمال میدان مغناطیسی، جریانهای بدون مقاومتی را القا می‌کند که در سطح نمونه طوری گردش می‌کنند که چگالی شار مغناطیسی آن‌ها در داخل نمونه دقیقاً برابر و در جهت مخالف چگالی شار میدان مغناطیسی اعمال شده باشد و از آنجایی که این جریان‌ها از بین نمی‌روند، چگالی شار خالص در داخل نمونه صفر باقی می‌ماند.
سالهای بسیاری تصور می‌شد که تمام ابررسانا‌ها بر اساس اصول فیزیکی مشابهی رفتار می‌کنند. اما اکنون ثابت شده ابررسانا‌ها با توجه به رفتار فیزیکی، به دو گروه مختلف که به ابررساناهای نوع I. و II معروفند باید دسته‌بندی شوند. بیشتر عناصر در شرایط ابررسانایی، رفتار ابررسانایی از نوع I. را از خود نشان می‌دهند، اما تعداد کمی از عناصر و بیشتر آلیاژ‌ها عموماً رفتار ابررسانایی از نوع II را بروز می‌دهند.

توجیه اختلاف بین ابررساناهای نوع I. و II مبتنی بر مسافت آزاد میانگین الکترونهای هدایتی در فاز نرمال است. مقاومت الکترونی در مواد ابررسانای نوع I. یعنی آلیاژ‌ها و فلزات واسط در حالت عادی کوتاه است، اما با افزودن مقداری از یک عنصر خاص، مسافت آزاد میانگین الکترونهای هدایتی افزایش یافته و ابررسانای نوع اول به ابررسانای نوع دوم تبدیل می‌شود. از نظر مغناطیسی، ابررساناهای نوع اول دارای دو محدوده و ابررساناهای نوع دوم دارای سه ناحیه برای فعالیت هستند.

۳. خاصیت تونل‌زنی: این مشخصه به این معنی است که اگر دو ابررسانا را خیلی به هم نزدیک کنیم، مقداری از جریان یکی به دیگری نشت می‌کند. در دو سر این پیوندگاه یا تونل هیچ ولتاژی وجود ندارد. یعنی میزان جریان نشتی به ولتاژ بستگی ندارد ولی به میدان مغناطیسی و تابش مغناطیسی حتی در مقادیر خیلی کوچک بشدت وابسته است.