سحر الموصلات الفائقة: شرح الرفع والمقاومة الصفرية

مقدمة وخطاف

تخيل قرصًا صغيرًا لامعًا يحوم فوق مغناطيس. يطفو في الهواء كما لو كان بفعل السحر. يمكن لهذا المنظر أن يأسر انتباه أي شخص. ومع ذلك، فهو ليس وهمًا. إنه تأثير حقيقي يسمى التوصيل الفائق. عندما يتم تبريد مواد معينة تحت درجة حرارة خاصة، فإنها لا تُظهر أي مقاومة كهربائية. كما أنها تدفع المجالات المغناطيسية بعيدًا. سنناقش كيف تعمل الموصلات الفائقة ولماذا تبدو خصائصها سحرية.

المفاهيم الأساسية

أساسيات التوصيل الفائق

تشير الموصلية الفائقة إلى حالة من المادة حيث تقوم المواد بتوصيل الكهرباء بشكل مثالي. وفي هذه الحالة، لا يحدث فقدان للطاقة. يحدث هذا فقط عندما يتم تبريد المادة تحت درجة الحرارة الحرجة. ودرجة الحرارة الحرجة هي النقطة التي تختفي عندها جميع العيوب التي تسبب المقاومة. عندما تصل المادة إلى درجة الحرارة المنخفضة هذه، يمكن للإلكترونات أن تتحرك دون أي عائق. تصبح العديد من المعادن موصلات فائقة التوصيل عند تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة للغاية. ويمكن لبعض المواد الخزفية أيضًا أن تكون فائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى، على الرغم من أنها لا تزال أقل بكثير من درجة حرارة الغرفة.

الموصلية الفائقة هي موضوع شائع في دورات الفيزياء المتقدمة. فهو يعطي رؤى مفيدة في ميكانيكا الكم. والفكرة هي أن الإلكترونات داخل المادة تشكل أزواجاً. وتتحرك هذه الأزواج معًا بطريقة منسقة. وتعني الحركة المنسقة أنها لا تواجه أي تشتت. وهذا هو السبب في عدم وجود مقاومة. هذه الفكرة البسيطة لها جذور عميقة في النظرية الفيزيائية المعقدة. ومع ذلك، فإن النتيجة بسيطة ومدهشة: التوصيل المثالي للكهرباء.

مقاومة صفرية

تعني المقاومة الصفرية أنه بمجرد أن يبدأ تيار كهربائي في حلقة فائقة التوصيل الكهربائي، سيستمر في التدفق إلى الأبد. لا توجد طاقة مفقودة كحرارة. في الدائرة المعدنية النموذجية، تجعل المقاومة التيار يفقد الطاقة بمرور الوقت. وهذا هو السبب في أن المصابيح الكهربائية تخفت في النهاية إذا تم توصيلها بدائرة مسربة. أما في الموصلات الفائقة فلا يحدث ذلك.

ويمكن أن تُظهر تجارب بسيطة هذا التأثير. يمكن تبريد حلقة من سلك فائق التوصيل وتوصيلها ببطارية لفترة قصيرة. وعند إزالة البطارية، يستمر التيار في التدفق لفترة طويلة جداً. هذا التيار المستمر هو دليل على المقاومة الصفرية. وفي المختبرات، تم قياس هذا التأثير لساعات وحتى لأيام. ويفتح غياب فقدان الطاقة العديد من الاستخدامات العملية في الأجهزة الكهربائية.

الرفع المغناطيسي (تأثير ميسنر)

يُعد الارتفاع المغناطيسي أحد أكثر نتائج الموصلية الفائقة إثارة. عندما يتم تبريد مادة فائقة التوصيل إلى ما دون درجة حرارتها الحرجة، فإنها تطرد جميع المجالات المغناطيسية من داخلها. ويُعرف ذلك باسم تأثير ميسنر. ونتيجة لذلك، إذا وضعت موصل فائق التبريد بالقرب من مغناطيس، فإن الموصل الفائق سيدفع المجال المغناطيسي بعيدًا. وتخلق هذه القوة وضعًا عائمًا مستقرًا فوق المغناطيس.

وهناك ظاهرة أخرى ذات صلة تعرف باسم تثبيت التدفق. فالتثبيت بالتدفق يثبِّت الموصل الفائق في مكانه في مجال مغناطيسي. ومع التثبيت بالتدفق، لا يطفو الموصل الفائق بشكل عشوائي، بل يبقى ثابتاً في موضعه حتى لو قمت بإمالة المغناطيس. هذا الثبات مهم في العديد من التطبيقات العملية. وقد استُخدِم هذا التأثير لإظهار التحليق في الهواء بطريقة واضحة ومثيرة في العروض التوضيحية الفيزيائية.

عرض توضيحي عملي

يمكن أن تُظهر تجربة بسيطة التوصيل الفائق والرفع في الهواء. أولاً، احصل على عينة من موصل فائق التوصيل. وغالباً ما تكون هذه العينات على شكل قرص صغير. بعد ذلك، احصل على نيتروجين سائل. النيتروجين السائل بارد للغاية. فهو يبرد الموصل الفائق إلى ما دون درجة حرارته الحرجة.

اتخذ احتياطات السلامة عند استخدام النيتروجين السائل. ارتدِ القفازات وواقي العينين. اعمل دائماً في منطقة جيدة التهوية. صب النيتروجين السائل بعناية فوق عينة الموصلات الفائقة. بعد بضع دقائق، تصل العينة إلى درجة الحرارة الحرجة وتدخل في حالة التوصيل الفائق.

الآن، قرب العينة من مغناطيس قوي. سترى القرص يرتفع في الهواء فجأة. فهو يطفو فوق المغناطيس في وضع ثابت تقريباً. يرجع تأثير الطفو إلى طرد الموصل الفائق للمجال المغناطيسي وتثبيت خطوط التدفق المغناطيسي. ولمزيد من المتعة، يمكنك محاولة تحريك الموصل الفائق برفق. لاحظ كيف يبقى في مكانه أو يعود إلى التوازن.

يضيف بعض المعلمين تجارب تفاعلية. على سبيل المثال، يوصلون موصلًا فائق التوصيل بدائرة بسيطة. ويمكن استخدام أداة دقيقة للغاية لقياس المقاومة. ستجد أن التيار يتدفق دون انخفاض في الطاقة. تُظهر هذه التجربة بوضوح مفهوم المقاومة الصفرية.

روابط العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات

تتصل الأفكار الكامنة وراء الموصلات الفائقة بالعديد من تخصصات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات.

- الفيزياء: ترتبط الموصلية الفائقة بالكهرومغناطيسية وميكانيكا الكم. سلوك أزواج الإلكترونات في الموصلات الفائقة هو تطبيق واقعي لفيزياء الكم.

- الهندسة: تلعب الموصلات الفائقة دورًا في أنظمة النقل مثل قطارات الرفع المغناطيسي (ماجليف). في المستشفيات، تعمل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) على تشغيل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI).

- علوم المواد: هناك تمييز واضح بين الموصلات الفائقة عالية الحرارة والموصلات الفائقة منخفضة الحرارة. تركز الأبحاث في علم المواد على إيجاد مواد جديدة قد تعمل في درجات حرارة أعلى.

- الكيمياء: التركيب الكيميائي للموصلات الفائقة مهم. وتعتمد تقنيات التبريد، مثل استخدام النيتروجين السائل، على فهم الخصائص الكيميائية والفيزيائية للمواد المستخدمة.

التطبيقات والآفاق المستقبلية

للموصلات الفائقة العديد من حالات الاستخدام في التكنولوجيا اليومية.

1. لننظر إلى النقل. تستخدم قطارات ماجليف مغناطيسات فائقة التوصيل لتطفو فوق المسار. ويقلل ذلك من الاحتكاك ويساعد القطار على السفر بشكل أسرع. وفي شبكات الطاقة، يمكن للموصلات الفائقة التوصيل أن تنقل الكهرباء دون فقدان الطاقة. ويمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسين كفاءة الطاقة بشكل كبير. تُستخدم الأسلاك فائقة التوصيل أيضًا في مسرعات الجسيمات. تساعد هذه الآلات العلماء على دراسة أصغر مكونات المادة.
2. وتبشر الأبحاث الجديدة في مجال الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية بالكثير من الآمال. فقد تعمل يومًا ما في درجة حرارة الغرفة. على الرغم من أن الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة لم تصبح شائعة بعد، إلا أن التقدم واضح. ومع تحسين المواد، قد يتبع ذلك تطبيقات يومية في الإلكترونيات الاستهلاكية. ويعمل المهندسون والعلماء جاهدين لجعل هذه الفوائد شائعة الاستخدام.
3. كما أن التطبيقات في الطب مهمة الآن أيضاً. فالموصلات الفائقة تجعل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي أكثر كفاءة وموثوقية. كما أنها تستخدم أيضاً في الأجهزة العلمية الحساسة جداً. ويمكن لجهاز التداخل الكمومي فائق التوصيل (SQUID) قياس أصغر التغيرات في المجالات المغناطيسية. هذه الأجهزة لا تقدر بثمن في المختبرات البحثية والبيئات الصناعية.

وتشمل الآفاق المستقبلية شبكات الطاقة الموفرة للطاقة. في مثل هذه الشبكات، لا يتم إهدار أي طاقة كهربائية. وهذا يساعد في تقليل تكاليف الطاقة وحماية البيئة. كما تفتح هذه التقنية الأبواب أمام أنظمة كهربائية أكثر إحكاماً وكفاءة في العديد من الصناعات.

شهد العالم العديد من الاختراعات العظيمة. وقد تكون الموصلات الفائقة أحد أكثر الاختراعات الواعدة. فهي توفر مساراً واضحاً نحو استخدام أنظف وأكثر كفاءة للطاقة. فهي ليست سحرية، لكنها تؤدي مهام تبدو سحرية للعين غير المدربة. ومع استمرار البحث والتطوير، سيزداد تأثير الموصلات الفائقة في الحياة اليومية.

الخاتمة

تُظهر لنا الموصلية الفائقة عالماً تتضافر فيه المقاومة الصفرية مع الرفع المغناطيسي لخلق نتائج شبه سحرية. يمكن لقرص صغير جداً أن يطفو فوق مغناطيس بتوازن مستقر بسبب التأثيرات الكمية. يجمع هذا الموضوع بين أفكار من الفيزياء والهندسة وعلوم المواد والكيمياء. كما أنه يُظهر طريقًا واضحًا لتحسين النقل وشبكات الطاقة والتقنيات الطبية. لمزيد من المواد المتقدمة، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

س: ماذا يحدث للموصلات الفائقة فوق درجة الحرارة الحرجة؟

س: يفقد حالة التوصيل الفائق ويستعيد المقاومة الكهربائية المعتادة.

و: هل يبقى الموصِّل الفائق المرتفع في مكان واحد دائماً؟

س: نعم، بسبب تثبيت التدفق، فإنه يحافظ على ثبات الرفع في مكان واحد.

و: هل يمكن استخدام الموصلات الفائقة في وسائل النقل اليومية؟

س: نعم، تُستخدم في قطارات ماجليف لتقليل الاحتكاك وتحسين السرعة.