الرئيسية » مقالات علمية » مقالات في الفيزياء » ما هي الموصلات فائقة التوصيل superconductor؟

ما هي الموصلات فائقة التوصيل superconductor؟

ما هي الموصلات فائقة التوصيل superconductor؟







تمتلك المواد فائقة التوصيل خواص غريبة وغير عادية بما فيها خاصية الرفع المغناطيسي

يمكننا ان نقسم المواد إلى قسمين بالاعتماد على قدرتها على التوصيل الكهربي. المعادن مثل النحاس والفضة تسمح للالكترونات بالحركة بحرية وتحمل معها الشحنة الكهربية. المواد العازلة مثل المطاط والخشب تتمسك بالاكتروناتها بقوة ولا تسمح لها بتمرير التيار الكهربي.
في مطلع القرن العشرين طور فيزيائييون تقنية جديدة لتبريد المواد إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق (273oC-) وبدأت عملية اكتشاف خواص المواد وقدرتها على توصيل الكهرباء في مثل هذه الظروف الحرجة. في بعض العناصر مثل الزئبق والرصاص لاحظ العلماء شيئا مدهشا وهو انه عند درجة حرارة معينة تصبح موصلية هذه المواد للكهرباء بدون اي مقاومة تذكر. بعد هذا الاكتشاف بعشرات السنوات تبين هناك خصائص مماثلة لالاف المركبات من السيراميك وحتى انابيب الكربون النانوية.
اطلق على هذه الحالة من المادة باسم المواد فائقة التوصيل superconductor. توصل المواد فائقة التوصيل التيار الكهربي بدون اي مقاومة واجريت تجارب للتحقق من ذلك وتبين ان سلك من مادة فائقة التوصيل على شكل حلقة استمر مرور التيار الكهربي فيها لفترة كبيرة جدا ويتوقع ان يستمر التيار إلى مليارات السنوات بدون اي فقد.

تسلك الكترونات المواد فائقة التوصيل على المقياس الميكروسكوبي سلوكا مختلفا تماما عن سلوكها في المواد المعدنية الموصلة. تتزاوج الالكترونات في الموصلات فائقة التوصيل مع بعضها البعض مما يسمح لها بالحركة بسهولة في المادة. هذا الامر يشبه نوعا ما طريق او مسار الركاب في الطرق السريعة. الالكترونات المنفردة تعاني من مقاومة عالية بسبب تصادماتها المستمرة مع انوية الذرات مما يجعل حركتها داخل المادة محاطة بالتصادمات الكثيرة ولكن في حالة الالكترونات المتزاوجة يكون لها مسار خاص داخل المادة بدون ان تعاني من تصادمات مع انوية الذرات.

هناك العديد من التطبيقات المختلفة للمواد فائقة التوصيل منها على سبيل المثال اجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي Magnetic Resonance Imaging والتي تعرف بالاختصار MRI. اجهزة الرنين المغناطيسي تستخدم المواد فائقة التوصيل لتوليد مجال مغناطيسي كبير يسمح لها بالحصول على صور داخل جسم المريض لمزيد من المعلومات اطلع على مقال كيف يعمل التصوير بالرنين المغناطيسي. كما ان مغناطيسيات المواد فائقة التوصيل جعلت من الممكن رصد جسيمات بوز هيجز Higgs Boson في مختبر CERN من خلال التحكم في مسارات الجسيمات المتصادمة.

ما هي الموصلات فائقة التوصيل superconductor؟

تستخدم الموصلات فائقة التوصيل في اجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي

من اشهر الخواص التي تتمتع بها المواد فائقة التوصيل عندما توجد بالقرب من مغناطيس قوي. المجال المغناطيسي يتسبب في تيارات كهربائية تتدفق انيا على سطح المادة فائقة التوصيل والتي بدورها تولد مجالا مغناطيسيا معاكسا. هذه الظاهرة تعمل على رفع المغناطيس وتجعله معلقا في الهواء من خلال القوى المغناطيسية.

والسؤال الذي يتبادر إلى اذهاننا هو لماذا لم ينتشر استخدام هذه المواد في حياتنا العملية؟ والاجابة تكمن في انه هذه المواد تعمل عند درجات حرارة منخفضة جدا. في بعض العناصر البسيطة تظهر الخاصية فائقة التوصيل superconductivity عند درجة حرارة 10 كلفن اي ما يعادل 263 تحت الصفر. في بعض المركبات المعقدة مثل مركب YBa2Cu3O7 تظهر الخواص فائقة التوصيل عند درجة حرارة اعلى ولكنها لا تزال منخفضة حيث انها تعمل عند درجة حرارة 173 درجة تحت الصفر. وهي درجات حرارة منخفضة جدا تتطلب معدات تبريد خاصة.

يأمل العلماء في التوصل يوما ما إلى مواد فائقة التوصيل تعمل عند درجة حرارة الغرفة وهذا تحدي كبير لكنه ممكنا. ويكمن التحدي في ان اي ارتفاع في درجة الحرارة عن الدرجة التي تظهر عندها الخواص الفائقة التوصيل تختفي تماما وتصبح المادة عازلة او موصلة عادية. ومن احد التحديات الكبرى في هذا المجال هو عدم معرفة الرابط الذي يجعل الالكترونات تتحرك في المادة في صورة ازواج مترابطة من الالكترونات وعلاقتها بدرجة الحرارة.




 

من الذرة الفائقة إلى الموصل الفائق

بحث جديد بدأ من جامعة كلفورنيا الجنوبية تجاه تحسين فهمنا حول كيف تنشأ الموصلية الفائقة superconductivity. وبدلا من دراسة الموصلية الفائقة في المادة بالكامل مثل الاسلاك تمكن فريق البحث من عزل بعض ذرات الالومنيوم ودراستها بشكل منفرد. هذه المجموعة من الذرات يمكن ان تلعب دور الذرة الفائقة وتشارك الكتروناتها بطريقة تحاكي ذرة كبيرة.

من النتائج المدهشة التي توصلوا لها هو ان هذه المجموعات من الذرات كشفت عن وجود تزاوج الكتروني عند درجة حرارة 100 كلفن اي ما يعادل 173 درجة تحت الصفر. وهذه درجة حرارة منخفضة جدا بالطبع لكنها اكبر بـ ١٠٠ مرة من درجة الحرارة المطلوبة لسلك من الالومنيوم ليصبح موصلا فائقا.  ومن هنا يطرح السؤال نفسه وهو لماذا مجموعة من الذرات تصبح موصلة فائقة عند درجة حرارة اعلى من درجة الحرارة اللازمة لملاين الذرات في السلك؟ لدى الفيزيائيون بعض الافكار لكن الظاهرة لا تزال غامضة ومن يدري ربما في المستقبل نحصل على مواد فائقة التوصيل عند درجات حرارة اعلى.

ما هي الموصلات فائقة التوصيل superconductor؟

تستخدم قطارات المرفوعة مغناطيسيا الخاصية فائقة التوصيل للوصول إلى سرعات فائقة

 

تطبيقات مدهشة في انتظارنا

اذا تمكن الفيزيائيون من الحصول على مواد فائقة التوصيل عند درجة حرارة الغرفة فان تقنيات جديدة وهامة سوف تظهر وبسرعة. على سبيل المثال اجهزة تعمل بالكهرباء بتكلفة لا تذكر وبكفاءة اعلى.

نقل التيار الكهربي على مسافات طويلة سوف يصبح اسهل وهنا يصبح استخدام محطات الطاقة المتجددة اكثر انتشارا لسهولة نقل التيار الكهربي منها وبدون اي مقاومة وفقد يذكر. وفي احد المشاريع الدولية الكبرى اقترح انشاء كوابل موصلات فائقة التوصيل تربط بين اوروبا بالطاقة الشمسية من محطات في افريقا الشمالية.

الاعتماد في خاصية الرفع المغناطيسية تفتح الامكانيات لقطارات سريعة جدا تعوم على مسارات مغناطيسية مثل فكرة عمل الالواح العائمة في الهواء والتي اصبحت متاحة بامكانيات محدودة في الوقت الحالي. وقد قام مهندسون من اليابان بتجربة استبدال عجلات قطار بقطع كبيرة من مواد فائقة التوصيل لرفع عربات بضعة سنتمترات في الهواء. وقد نجحت التجربة ولكنها تتطلب تبريد مكلف باستخدام الهليوم السائل للحفاظ على بقاء الخاصية المغناطيسية لتلك القطع الفائقة التوصيل.

الكثير من تقنيات الموصلات فائقة التوصيل سوف تبقى كمخططات او تعمل بتكلفة باهظة جدا ما لم يتم التوصل إلى موصلات فائقة التوصيل في درجات حرارة الغرفة. وهناك الكثير من الابحاث والدراسات تجري على قدم وساق وقد نفاجىء في القريب العاجل باكتشاف عصري لمرحلة تقنية جديدة.The Conversation




تعليقات

تعليقات

عن الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر - غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي | ومركز الترجمة العلمي | وقناة الفيزياء التعليمي على اليوتيوب | ورئيس تحرير مجلة الفيزياء العصرية | Email skhazem@gmail.com

تفضل بزيارة صفحتي
تصفح كل مقالاتي

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.