قائمة الموصلات الفائقة وكيفية عملها

مقدمة

تُعد الموصلية الفائقة ظاهرة رائعة في الفيزياء حيث تُظهر بعض المواد، عند تبريدها تحت درجة حرارة حرجة، مقاومة كهربائية صفرية وطرداً للمجالات المغناطيسية. وهذا يجعلها ضرورية في تطبيقات مختلفة، بما في ذلك التصوير الطبي وتخزين الطاقة والنقل. دعونا نناقش كيفية عمل الموصلات الفائقة باستخدام عشرة أمثلة لمواد فائقة التوصيل.

كيف تعمل الموصلات الفائقة التوصيل

تحدث الموصلية الفائقة عندما تتزاوج إلكترونات المادة لتكوين ما يُعرف باسم أزواج كوبر . وتتحرك هذه الأزواج عبر المادة دون تشتت، وهو ما يسبب المقاومة الكهربائية. في الموصلات العادية مثل النحاس أو الألومنيوم، تتعرض الإلكترونات لمقاومة أثناء تصادمها مع الذرات، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة. أما في الموصلات الفائقة، فبمجرد تبريد المادة إلى ما دون درجة الحرارة الحرجة، تحدث ظاهرة تدفق التيار دون مقاومة، مما يتيح للطاقة التحرك دون فقدان.

وعلى المستوى الكمي، يتم تفسير الموصلية الفائقة من خلال نظرية BCS (باردين وكوبر وشريفر). تصف هذه النظرية كيف يؤدي التفاعل بين الإلكترونات والاهتزازات في الشبكة البلورية إلى تكوين أزواج كوبر. وتتحرك هذه الأزواج بشكل جماعي، دون تشتت، مما يجعل المادة قادرة على توصيل الكهرباء دون أي تبديد للطاقة.

خصائص الموصلات الفائقة

تتمتع الموصلات الفائقة بمجموعة فريدة من الخصائص التي تجعلها تتميز عن المواد الأخرى:

الشكل 1 درجة الحرارة الحرجة للموصلات الفائقة [1]

• مقاومة كهربائية صفرية: الخاصية الأكثر أهمية للموصلات الفائقة هي أنها تسمح بتدفق الكهرباء دون أي مقاومة، مما يلغي فقدان الطاقة أثناء النقل.
• تأثير ميسنر: تُظهر الموصلات الفائقة تأثير ميسنر، حيث تطرد المجالات المغناطيسية من باطنها عندما تنتقل إلى حالة التوصيل الفائق. تسمح هذه الظاهرة بتطبيقات مثل الرفع المغناطيسي.
• درجة الحرارة الحرجة (Tc): لكل موصل فائق التوصيل درجة حرارة حرجة محددة يظهر تحتها موصلية فائقة. وتختلف درجة الحرارة هذه باختلاف المادة. على سبيل المثال، بعض الموصلات الفائقة عالية الحرارة لها درجات حرارة حرجة أعلى من درجة غليان النيتروجين السائل (-196 درجة مئوية).
• الرفع الكمي: يمكن للموصلات الفائقة الارتفاع فوق المغناطيس بسبب التفاعل بين طرد الموصلات الفائقة للمجالات المغناطيسية والمجال الذي يولده المغناطيس. ويُستخدم هذا المبدأ في تقنيات مثل قطارات ماجليف.
• قدرة حمل تيار عالية: تستطيع الموصلات الفائقة حمل تيارات كهربائية أعلى بكثير من الموصلات التقليدية، ما يجعلها مثالية للاستخدام في التطبيقات عالية الطاقة مثل مسرعات الجسيمات.

10 أمثلة على الموصلات الفائقة التوصيل

[2]

1. النيوبيوم (Nb) النيوبيوم هو أحد الموصلات الفائقة الأكثر استخدامًا بسبب درجة حرارته الحرجة المرتفعة نسبيًا البالغة 9.25 كلفن وسهولة استخدامه في التطبيقات العملية مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي ومسرعات الجسيمات.
2. يتريوم باريوم باريوم أكسيد النحاس (YBCO) YBCO هو موصل فائق عالي الحرارة بدرجة حرارة حرجة تبلغ حوالي 93 كلفن مما يجعله مثاليًا للتطبيقات في صناعة الطاقة، بما في ذلك كابلات الطاقة والدروع المغناطيسية.
3. ثنائي بوريد المغنيسيوم ثنائي بوريدالمغنيسيوم (MgB2) ، الذي تبلغ درجة حرارته الحرجة 39 كلفن وهو موصل فائق غير مكلف نسبياً. وله تطبيقات في الإلكترونيات وتخزين الطاقة وتكنولوجيا التصوير بالرنين المغناطيسي.
4. الرصاص (Pb) كان الرصاص من أوائل المواد المكتشفة التي تُظهر الموصلية الفائقة. تبلغ درجة حرارته الحرجة 7.2 كلفن ويستخدم في العديد من التجارب العلمية والتطبيقات التي تتطلب درجات حرارة منخفضة.
5. أكسيد نحاس الكالسيوم والكالسيوم البزموت سترونتيوم الكالسيوم (BSCCO) BSCCO هو موصل فائق آخر فائق الحرارة بدرجة حرارة عالية تبلغ درجة حرارته الحرجة حوالي 108 كلفن.
6. الموصلات الفائقة القائمة على الحديد تُعرف الموصلات الفائقةالقائمة على الحديد ، وهي فئة جديدة نسبياً اكتُشفت في عام 2008، بدرجات الحرارة الحرجة العالية وإمكاناتها في تطبيقات الإلكترونيات والطاقة.
7. التنغستن (W) التنغستن مادة عالية الكثافة تُظهر موصلية فائقة في درجات حرارة منخفضة جداً، مما يجعلها مفيدة في بعض التطبيقات المتخصصة، بما في ذلك المغناطيسات عالية المجال.
8. غاليوم الفاناديوم (V3Ga) غاليوم الفاناديوم (V3Ga) هو موصل فائق التوصيل بدرجة حرارة حرجة عالية نسبياً تبلغ 13.8 كلفن.
9. أكسيد النحاس (CuO) أكسيد النحاس (CuO) أكسيد النحاس هو مثال على الموصلات الفائقة عالية الحرارة التي تعمل عند درجة حرارة أعلى من 77 كلفن وهي درجة حرارة النيتروجين السائل. ويُستخدم في الأجهزة الكهربائية والإلكترونية المتقدمة.
10. أكسيد اللانثانوم سترونتيوم النحاس (LSCO) LSCO هو جزء من فئة الموصلات الفائقة عالية الحرارة، مع تطبيقات في الأبحاث والإلكترونيات، بما في ذلك الأجهزة التي تتطلب فقداناً منخفضاً للطاقة.

قائمة الموصلات الفائقة

فيما يلي جدول ملخص يقدم المزيد من الأمثلة الشائعة للموصلات الفائقة. لمزيد من المعلومات والأمثلة، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

[3]

الخاتمة

بفضل المقاومة الكهربائية الصفرية والخصائص المغناطيسية الفريدة من نوعها، تُحدث الموصلات الفائقة ثورة في مجالات مختلفة من التصوير الطبي إلى النقل. ومع استمرار الأبحاث، من المرجح أن يتم اكتشاف مواد جديدة ذات درجات حرارة حرجة أعلى، مما يفتح المجال أمام المزيد من التطبيقات.

مرجع:

[1] Lebrun, Philippe & Tavian, Laurent & Vandoni, Giovanna & Wagner, U. (2002). علم التبريد لمسرعات الجسيمات وأجهزة الكشف.

[2] ياو، تشاو وما، يانوي. (2021). المواد فائقة التوصيل: التحديات والفرص المتاحة للتطبيقات واسعة النطاق. iScience. 24. 102541. 10.1016/j.isci.2021.102541.

[3] قائمة الموصلات الفائقة. (2024، 16 أغسطس/آب). في ويكيبيديا. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_superconductors