كل ما يتعلق بمواد النيوبيوم-التيتانيوم فائقة التوصيل

مقدمة

غيرت المواد فائقة التوصيل العديد من الأجهزة الحديثة. فهي تُستخدم في الأنظمة التي تتطلب توصيلًا مغناطيسيًا وكهربائيًا عالي الكفاءة. ومن بين هذه المواد، يحظى النيوبيوم-التيتانيوم بشعبية كبيرة. وتُعرف هذه السبيكة بمرونتها وتكلفتها المنخفضة وأدائها الموثوق به في الظروف شديدة البرودة. ويأتي استخدامه في التكنولوجيا بفوائد عملية.

التركيب والبنية

عادةً ما تحتوي سبائك النيوبيوم-التيتانيوم على مزيج محدد يقارب سبعة وأربعين بالمائة من النيوبيوم وسبعة وأربعين بالمائة من التيتانيوم وثلاثة وخمسين بالمائة. قد تختلف هذه النسبة قليلاً في التطبيقات المختلفة. تعتمد بنية هذه السبيكة على ترتيب مكعب متمركز حول الجسم. وبعبارات بسيطة، تخلق ذراتها نمطًا مستقرًا ومتكررًا.

يتم الوصول إلى حالة التوصيل الفائق عندما يتم تبريد المادة تحت درجة حرارة حرجة تبلغ حوالي تسع فاصلة اثنين كلفن. وعند درجات الحرارة المنخفضة هذه، تُظهر السبيكة مقاومة كهربائية صفرية. وهذا أمر ضروري للعديد من التطبيقات الدقيقة التي يكون فيها فقدان الطاقة مشكلة حرجة.

مزيد من القراءة: أنواع المواد فائقة التوصيل وتطبيقاتها

خواص التوصيل الفائق

يتسم سلوك التوصيل الفائق للنيوبيوم-التيتانيوم ببعض السمات البارزة.

تبقى درجة الحرارة الحرجة حول تسعة فاصلة اثنين كلفن. وعندما تتعرّض المادة لمجالات مغناطيسية قوية، فإنها تميل إلى الحفاظ على التوصيل الفائق حتى خمسة عشر تسلا تقريبًا.

بالإضافة إلى ذلك، تظل كثافة التيار الحرجة عالية جدًا، خاصة في الأسلاك التي تستخدم خيوطًا متعددة. وتعني كثافة التيار العالية هذه أن السبيكة يمكنها التعامل مع التيارات الكبيرة دون أي خسارة.

وتتيح هذه الخصائص مجتمعةً أداء سبيكة النيوبيوم-التيتانيوم في البيئات الصعبة.

مزايا الموصلات الفائقة من النيوبيوم-التيتانيوم

تتمتع سبيكة النيوبيوم-التيتانيوم بالعديد من المزايا العملية.

أولاً، تسمح ليونة السبيكة العالية للمهندسين بسحبها إلى أسلاك رفيعة ولفها إلى هياكل معقدة متعددة الخيوط. وهذه القابلية للتشغيل نادرة بين الموصلات الفائقة.

ثانيًا، تكلفته منخفضة نسبيًا عند مقارنته ببعض الموصلات الفائقة عالية الحرارة أو أنواع أخرى مثل النيوبيوم-القصدير.

ثالثًا، قوته الميكانيكية ممتازة. فهي تتحمل القوى الكهرومغناطيسية العالية والإجهادات الحرارية بشكل موثوق.

وأخيراً، يمكن دمج هذه السبيكة بسهولة مع معادن مثبتة مثل النحاس أو النحاس والنيكل النحاسي. وتضمن هذه العملية أن تظل الأسلاك فائقة التوصيل آمنة حتى لو تعرضت لفقدان مفاجئ للموصلية الفائقة.

التطبيقات الشائعة

يُعد النيوبيوم-التيتانيوم العمود الفقري للعديد من الأجهزة الكهرومغناطيسية الحديثة.

وفي أنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي، فهو المادة الأساسية المستخدمة في الملفات الرئيسية. وهذا يضمن الحصول على صور واضحة في المستشفيات. وتستخدم مسرعات الجسيمات في مراكز الأبحاث لفائف النيوبيوم-التيتانيوم للتوجيه الصحيح وتركيز حزم الجسيمات. وفي آلات مثل مصادم الهدرونات الكبير، لا غنى عن هذه المغناطيسات فائقة التوصيل. وتعتمد أجهزة الاندماج الحبس المغناطيسي، مثل مفاعلات توكاماك، على لفائف النيوبيوم-التيتانيوم من أجل مجالات مغناطيسية آمنة وقوية. وتستخدم مختبرات الأبحاث مغناطيسات صغيرة عالية المجال مصنوعة من هذه السبيكة. ويوجد أيضًا في أنظمة تخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل حيث يكون التفريغ السريع للطاقة ضروريًا للحفاظ على استقرار الطاقة أثناء ذروة الأحمال.

القيود

على الرغم من نقاط القوة العديدة التي تتمتع بها الموصلات الفائقة المصنوعة من النيوبيوم-التيتانيوم فإن لها بعض القيود.

إذ يجب تبريد المادة بالهيليوم السائل لأن موصلية فائقة التوصيل لا تظهر إلا في درجات حرارة منخفضة جداً. ويمكن لهذا الشرط أن يزيد من التكلفة والتعقيد التقني. وتتوقف السبيكة عن أن تكون فائقة التوصيل في المجالات التي تزيد عن خمسة عشر تسلا. وهذا يحد من استخدامها في التطبيقات ذات المجالات العالية جداً. كما أنها أقل فائدة في البيئات التي تعمل في درجات حرارة أعلى، على عكس بعض الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية. لقد وازنت هذه النقاط مع مزاياها في معظم السيناريوهات العملية.

الأسئلة المتداولة

س: ما هو التركيب النموذجي لسبائك النيوبيوم والتيتانيوم؟
س: يبلغ التركيب النموذجي حوالي سبعة وأربعين بالمائة من النيوبيوم وثلاثة وخمسين بالمائة من التيتانيوم.

س: ما هي درجة حرارة التشغيل التي تجعل النيوبيوم-التيتانيوم فائق التوصيل؟
س: يبدأ النيوبيوم-تيتانيوم في التوصيل الفائق تحت درجة حرارة أقل من تسع فاصلة اثنين كلفن تقريبًا.

و: ما الجهاز الرئيسي الذي يُستخدَم فيه النيوبيوم-التيتانيوم؟
س: يُستخدَم على نطاق واسع في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي للملفات المغناطيسية للمستشفيات.