|
سايت شهر دامغان
|
مقالات پزشکي سايت |
|
y ارسال کننده : دفتر دامغان
u عنوان : ابر رسانايياستاد راهنما: آقاي بهادري گردآورننده: محمد حسين خوش بيان
فهرست: 1. مقدمه................................. 2. تاريخچه................................ 3. حالات ماده............................. 4. تفاوت ميان بوزون ها و فرميونها چيست ؟.. 5. ابر رسانايي........................... 6. كاربردهاي ابر رسانايي............................... 7. نمودارها.............................. 8. آدرس هاي معتبر ترين سايت هادر باره ي ابر رسانايي ............................. 9. منابع................................
مقدمه: آنچه مسلم است ‚ دنياي امروز دنياي سرعت و ارتباطات است جهان پيوسته مي كوشد كه اين دو مقوله را هر چه بهتر و سريعتر ارائه دهد ئ كلا كشور هايي كه ارتباطات قوي با سرعتي مناسب برخوردار هستند در جهان امروز موفق تر ند . پديده ي ابر رسانايي كه نزديك به 1 قرن پيش مطرح شد‚ به سر عت در حال گسترش مي باشد به حدي كه اكنون تقريبا شركت معتبري در جهان ارتباطات نيست كه اين پديده را ناديده بگيرد و در اين زمينه پژوهشي نكرده باشد. اين تحقيق در حقيقت بخش كوچكي از دنياي كتب و مقاله ي مطرح شده در اين مورد و در سالهاي اخير مي باشد . دو دياگرام كه تنها براي درك بهتر از اين پديده مي باشد در انتهاي تحقيق موجود است و نيز مرجع بهترين سايت هاي اينتر نتي در مورد ابر رسانايي نيز در ادامه ذكر شده است .
محمد حسين خوش بيان 3 /4/1383 تاريخچه: در سال 1908 وقتي كمرلينگ اونز هلندي در دانشگاه ليدن موفق به توليد هليوم مايع گرديد حاصل شد كه با استفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود يك درجه كلوين برسد. يكي از اولين بررسي هايي كه اونز با اين درجه حرارت پايين قابل دسترسي انجام داد مطالعه تغييرات مقاومت الكتريكي فلزات بر حسب درجه حرارت بود. چندين سال قبل از آن معلوم شده بود كه مقاومت فلزات وقتي دماي آنها به پايين تر از دماي اتاق برسد كاهش پيدا مي كند. اما معلوم نبود كه اگر درجه حرارت تا حدود كلوين تنزل يابد مقاومت تا چه حد كاهش پيدا مي كند. آقاي اونز كه با پلاتينيم كار مي كرد متوجه شد كه مقاومت نمونه سرد تا يك مقدار كم كاهش پيدا مي كرد كه اين كاهش به خلوص نمونه بستگي داشت. در آن زمان خالص ترين فلز قابل دسترس جيوه بود و در تلاش براي بدست آوردن رفتار فلز خيلي خالص اونز مقاومت جيوه خالص را اندازه گرفت.او متوجه شد كه در درجه حرارت خيلي پايين مقاومت جيوه تا حد غير قابل اندازه گيري كاهش پيدا مي كند كه البته اين موضوع زياد شگفت انگيز نبود اما نحوه از بين رفتن مقاومت غير منتظره مي نمود.موقعي كه درجه حرارت به سمت صفر تنزل داده مي شود به جاي اينكه مقاومت به ارامي كاهش يابد در درجه حرارت 4 كلوين ناگهان افت مي كرد و پايين تر ازاين درجه حرارت جيوه هيچگونه مقاومتي از خود نشان نمي داد. همچنين اين گذار ناگهاني به حالت بي مقاومتي فقط مربوط به خواص فلزات نمي شد و حتي اگر جيوه ناخالص بود اتفاق مي افتاد.آقاي اونز قبول كرد كه پايين تر از 4 كلوين جيوه به يك حالت ديگري از خواص الكتريكي كه كاملا با حالت شناخته شده قبلي متفاوت بود رفته است و اين حالت تازه (( حالت ابر رسانايي )) نام گرفت.
بعدا كشف شد كه ابررسانايي را مي توان از بين برد ( يعني مقاومت الكتريكي را مي توان مجددا بازگردانيد.) و در نتيجه معلوم شد كه اگر يك ميدان مغناطيسي قوي به فلز اعمال شود اين فلز در حالت ابررسانايي داراي خواص مغناطيسي بسيار متفاوتي با حالت درجه حرارتهاي معمولي مي باشد. تاكنون مشخص شده است كه نصف عناصر فلزي و همچنين چندين آلياژ در درجه حرارت هاي پايين ابر رسانا مي شوند. فلزاتي كه ابررسانايي را در درجه حرارت هاي پايين از خود نشان مي دهند ( ابر رسانا ) ناميده مي شوند. سالهاي بسياري تصور مي شد كه تمام ابررسانا ها بر طبق يك اصول فيزيكي مشابه رفتار مي كنند. اما اكنون ثابت شده است كه دو نوع ابررسانا وجود دارد كه به نوع I و II مشهور مي باشد. اغلب عناصري كه ابررسانا هستند ابررسانايي از نوع I را از خود نشان مي دهند.در صورتي كه آلياژها عموما ابررسانايي از نوع II را از خود نشان مي دهند. اين دو نوع چندين خاصيت مشابه دارند. اما رفتار مغناطيسي بسيار متفاوتي از خود بروز مي دهند. پديده ي ابر رساناييدر تكنولوژي از توانايي گستردهاي بر خوردار است زيرا بر پايه ي اين پديده بارهاي الكتريكي مي توانند بدون تلفات گرمايي از يك رسانا عبور كنند. به طور مثال جريان القا شده در يك حلقه ي ابر رسانا بدون وجود هيچ باطري در مدار به مدت چند سال بدون كاهش باقي مي ماند.براي نمونه در واشنگتن از يك خلقه ابر رساناي بزرگ براي ذخيره كردن انرژي الكتريكي در ت كوما استفاده مي شود. ذخيره ي انرژي در اين حلقه تا 5 مگاوات بالا مي رود و انرژي در مدت مورد نظر آزاد مي شود. عمده مشكل ايجاد كردن شرايط براي اين پديده دماي بسيار پايين آن مي باشد كه بايد دماهاي بسيار پايين را محيا كرد . اما در سال 1986 مواد سراميكي جديدي كشف شد كه در دماهاي بالاتري توا نايي ابر رسانايي را داشته باشد.( تا اكنون در دماي 138 درجه كلوين اين امر ميسر شده است .)
حالات ماده : قبل از شروع بحث چگونگي ايجاد حالت ابر رسانايي بهتر است ابتدا با حالات جديد ماده در سالهاي اخير بيشتر اشنا شويم: محققان ناسا حالت جديدي از ماده را كشف كردند كه حالت چگاليده فرميوني نام دارد. طي مدت زمان طولاني ماده را به سه حالت مي شناختند كه عبارت بودند از جامد ، مايع و گاز . اما امروزه مي دانيم كه اين سه حالت تنها نيمي از حالتهاي شناخته شده هستند و حداقل شش حالت براي ماده وجود دارد . اين شش حالت عبارتند از جامد ، مايع، گاز ، پلاسما، حالت چگاليده بوز – اينشتين و حالت چگاليده فرميوني . دكتر جين دبورا سرپرست گروه دانشمنداني كه چگالش فرميوني را كشف كردند ، درباره يافته هاي جديد مي گويد : دسامبر سال گذشته ، زماني كه حالت جديد را كشف كرديم براي ما اوقات هيجان انگيزي بود گروه ما هم به خاطر هيجان ناشي از پيشرفتهاي چشمگير و هم به خاطر رقابت فشرده براي كشف حالت جديد ، بسيار سخت كار مي كرد تا اينكه نتيجه دلخواه بدست آمد. اخبار كامل مربوط به اين موفقيت جالب ، ماه ژانويه 2004 در سايت فيزيكال ريويولترز آمده بود . اگر از دانش آموزان دوره دبيرستان خواص معولي مواد را را بپرسيد ، در پاسخ مي گويند جامدها شكل ثابتي دارند و از نظر فيزيكي سخت هستند اما قابليت خرد شدن را هم دارند . مايعات به آساني جريان مي يابند اما متراكم كردن آنها بسيار سخت است و در هر ظرفي قرار گيرند شكل ظرف را به خود مي گيرند . گازها كمترين چگالي را در مقايسه با ساير حالات دارند و به آساني متراكم مي شوند . گازها نه تنها در هر ظرفي قرار گيرند شكل ظرف را به خود مي گيرند، بلكه در تمام حجم ظرف پراكنده مي شوند و تمام فضاي ظرف را اشغال مي كنند . چهارمين شكل ماده پلاسما است. اين حالت تقريبا شبيه گازاست اما اتمهاي سازنده پلاسما به الكترونها و يونها شكافته شده اند . خورشيد نمونه اي از پلاسما است. در واقع بيشتر ماده جهان بصورت پلاسما است . پلاسماها معمولا بسيار داغ هستند از اينرو نمي توان پلاسما را توليد و در ظرفهاي معمولي نگهداري كرد . پلاسما را با استفاده از ميدان مغناطيسي مي توان در يك محدوده از فضا حبس كرد . پنجمين شكل ماده حالت چگاليده بوز- اينشتين است كه در سال 1995 كشف شد . اين حالت از ماده زماني پديد آمد كه دانشمندان موفق شدند بوزونها را تا دمايي بسيار پايين سرد كنند . در دماهاي بسيار پايين ، بوزونها به صورت سوپر ذرات منفردي در مي آيند كه بيشتر از آنكه ذره مادي باشند موج مانند به نظر مي رسند . اين حالت از ماده بسيار شكننده است و نور به آهستگي از ميان آن عبور مي كند . پس از چند سال از كشف حالت چگاليده بوز- اينشتين ، اينك حالت چگاليده فرميوني هم به حالتهاي قبل اضافه شده است . اين شكل از ماده چنان بديع است كه هنوز اغلب خواص آن ناشناخته است . اما آنچه كه مسلم است اين حالت هم در دماي بسيار پايين قابل دسترسي است . دكتر جين و همكارانش براي دستيابي به اين حالت جديد ، تعداد 500 هزار اتم پتاسيم با عدد جرمي 40 را تا دمايي كمتر از يك ميليونيم كلوين سرد كردند . اين دما بسيار نزديك به صفر مطلق است . در اين حالت اتمهاي پتاسيم بدون آنكه چسبندگي ميان آنها وجود داشته باشد ، بصورت مايع جريان يافتند . پايينتر از اين دما چه اتفاقي مي افتد ؟ جواب اين سئوال را كسي نمي داند . دانشمندان در حال حاضر براي يافتن پاسخ اين سئوال به تحقيق مشغول هستند . حالت چگاليده فرميوني تا حدي شبيه چگالش بوز- اينشتين است . هر دو حالت از اتمهايي تشكيل شده اند كه اين اتمها در دماي پايين به هم مي پيوندند و جسم واحدي را تشكيل مي دهند . در چگالش بوز- اينشتين اتمها از نوع بوزون هستند در حاليكه در چگالش فرميوني اتمها فرميون هستند.
تفاوت ميان بوزون ها و فرميونها چيست ؟ رفتار بوزونها به گونه اي است كه تمايل دارند با هم پيوند برقرار كنند و به هم متصل شوند . يك اتم در صورتي كه حاصل جمع تعداد الكترون ، پروتون و نوترونهايش زوج باشد، بوزون است . بعنوان مثال اتمهاي سديم بوزون هستند زيرا اتمهاي سديم در حالت عادي يازده الكترون ، يازده پروتون و دوازده نوترون دارند كه حاصل جمع آنا عدد زوج 34 مي شود . بنابراين اتمهاي سديم اين قابليت را دارند كه در دماهاي پايين به هم متصل شوند و حالت چگاليده بوز- اينشتين را پديد اورند اما از طرف ديگر فرمينها منزوي هستند . اين ذرات طبق اصل طرد پائولي هنگامي كه در يك حالت كوانتومي قرار مي گيرند همديگر را دفع مي كنند و اگر ذره اي در يك حالت كوانتومي خاص قرار گيرد مانع از آن مي شود كه ذره ديگري هم بتواند به آن حالت دسترسي يابد . هر اتم كه حاصل جمع تعداد الكترون ، پروتون و نوترونهايش فرد باشد فرميون است . بعنوان مثال ، اتمهاي پتاسيم با عدد جرمي 40 فرميون هستند زيرا داراي 19 الكترون ، 19 پروتون و 21 نوترون هستند و حاصل جمع اين سه عدد برابر 59 مي شود . دكتر جين و همكارانش بر پايه همين خاصيت انزوا طلبي فرميونها روشي را پيش گرفتند و از ميدانهاي مغناطيسي كنترل شونده اي براي انجام آزمايشها استفاده كردند . ميدان مغناطيسي باعث مي شود كه اتمهاي منفرد با هم جفت شوند و ميزان جفت شدگي اتمها در اين حالت با تغيير ميدان مغناطيسي قابل كنترل است . انتظار مي رفت كه اتمهاي جفت شده پتاسيم خواص همانند بوزونها داشته باشند اما آزمايشها نشان دادند كه در بعضي از اتمها كه ميزان جفت شدگي ضعيف بود هنوز بعضي از خواص فرميوني خود را از دست نداده بودند. .در اين حالت يك جفت از اتمهاي جفت شده مي تواند به جفت ديگري متصل شود و اين جفت شدگي به همين ترتيب ادامه يابد تا اينكه سرانجام باعث تشكيل حالت چگاليده فرميوني شود .دكتر جين شك داشت كه جفت شدگي اتمهاي مشاهده شده همانند جفت شدگي اتمهاي هليوم مايع باشد كه به آن ابر شارگي مي گويند . ابرشاره ها نيز بدون اينكه خاصيت چسبندگي بين آنها باشد به راحتي جريان مي يابند . وضعيت مشابه ديگر ، حالت ابر رسانايي است . در يك ابر رسانا الكترونهاي جفت شده( الكترونها فرميون هستند) به محض آنكه با مقاومت الكتريكي مواجه شوند به راحتي جريان مي يابند . پيش از اين جان باردين ‚ لئون كوپر و رابرت شريفر به طور نظري اين پديده را توضيح دادند و به همين سبب جايزه ي نوبل سال 1972 را به اشتراك دريافت كردند. اساس اين نظريه كه به خاطر ارائه دهندگان آن BSC ( باردين ‚كوپر ‚ شريفر) ناميده مي شود ‚ مبتني بر اين فرض است كه حاملهاي بار نه به صورت تك الكترون بلكه به صورت زوج الكترون است. اين زوج هاي كوپر ماند تك ذرات ولي با خواصي متفاوت با تك الكترون ها عمل مي كنند. علاقه وافري به ابر رساناها وجود دارد زيرا از آنها براي توليد الكتريسيته پاك و ارزان مي توان استفاده كرد در صورتي كه استفاده از ابر رساناها در تكنولوژي ميسر شود قطارهاي برقي سريع السير و كامپيوترهاي فوق سريع با قيمت پايين روانه بازار خواهد شد اما متاسفانه استفاده از ابررساناها و حتي تحقيق در باره آنها دشوار است . بزرگترين مشكل اينست كه حداقل دمايي كه لازمست تا يك ابررسانا ايجاد شود 135- درجه سلسيوس است . بنابراين نيتروژن مايع يا دستگاه سرد كننده ديگري لازمست تا سيمهاي رابط و هر وسيله جانبي ديگري كه الكترونهاي جفت شده در ان محيط قرار مي گيرند را نگه دارد . اين فرايند هزينه زيادي مي خواهد و به دستگاههاي پر حجمي نياز دارد . اما اگر ابررسانايي بردماي اتاق شود كار كردن با آن فوق العاده راحت مي شود و استفاده ازآن بخاطر مزيتهاي ياد شده سريعا افزايش مي يابد جين مي گويد كنترل ميزان جفت شدگي اتمهابا استفاده از تغيير ميدان مغناطيسي همانند تغيير دما براي يك ابررسانا است . اين روند ما را اميدوار مي كند كه بتوانيم آموخته هاي خود از چگالش فرميوني را به ديگر زمينه ها از جمله ابر رسانايي در دماي اتاق تسري دهيم.
استفاده از سيليكون براي ساختن ابر رسانا : طي چند سال اخيرسيليكون به دليل ارزاني و كنترل آسان حركت الكترونها در اين ماده در صنايع الكترونيك مورد بهرهبرداري گسترده قرار گرفته است و تبديل به مادهاي اصلي براي ساخت پردازنده شده است. پژوهشگران اينتل به روشي جديد براي استفاده از سيليكون براي حركت نور به همراه الكترون در رساناها دست يافتهاند كه پيش از اين تنها الكترون در اين ابر رسانا به حركت در ميآمد. اين پيشرفت غيرمنتظره ميتواند منجر به آسانشدن استفاده از پرتوهاي نوري نور پردازنده رايانه و در نتيجه ارزان شدن تسهيلات شبكههاي پرسرعت مخابراتي شود. دستيابي محققان شركت اينتل به فناوري فوقالعاده در انتقال دادهها انقلابي در صنعت ابر رساناها پديد ميآورد.
كاربردهاي ابر رسانايي : كاربردهاي زيادي را براي ابررساناهادر نظر گرفته است بعنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شدكه مدار ماهواره هاي چرخنده به دور زمين با دقت بسياربالايي كنترل شوند . خاصيت اصلي ابر رساناها به دليل نداشتن مقاومت الكتريكي امكان انتقال جريان الكتريكي – حجم كوچكي از ابررسانا است . بهمين خاطر اگر بجاي سيمهاي مسي از ابر رساناها استفاده شود ،موتورهاي فضاپيماها تا 6 برابر نسبت به موتورهاي فعلي سبكتر خواهند شد و باعث مي شود كه وزن و فضاپيما بسيار كاهش يابد . از ديگر زمينه هايي كه ابررساناها مي توانند نقش اساسي در آنها بازي مي كنند مي توان كاوشهاي بعدي انسان از فضارا نام برد . ابررساناها بهترين گزينه براي توليد وانتقال بسياركارآمد انرژي الكتريكي هستند و طي شبهاي طولاني ماه كه دما تا 173- درجه سانتي گراد پايين مي آيد و طي ماههاي ژانويه تا مارس دستگاههاي MRI ساخته شده ازسيمهاي ابررسانا ، ابزار تشخيص دقيق وتوانمندي در خدمت سلامت خدمه فضاپيما خواهد بود . و همچنين ساخت ابر كامپيوتر هاي بسيار كوچك و كم مصرف مي باشد.
نمودار ها: نمودار ساده ي پديده ي ابر رسانايي:
YBCO Molecule Superconductor Links
Pictures/Graphics/Animations:
|