ما هي المواد فائقة التوصيل

عندما تنخفض درجة الحرارة إلى درجة حرارة حرجة معينة ، تختفي مقاومة بعض المواد تمامًا. تسمى هذه الظاهرة بالموصلية الفائقة ، وتسمى المواد التي تحمل هذه الظاهرة بالمواد فائقة التوصيل. ميزة أخرى للموصلات الفائقة هي أنه عندما تختفي المقاومة ، فإن خطوط الحث المغناطيسي لن تمر عبر الموصل الفائق. هذه الظاهرة تسمى النفاذية المغناطيسية.

تقل مقاومة المعادن العامة (مثل النحاس) تدريجيًا مع انخفاض درجة الحرارة. عندما تقترب درجة الحرارة من 0K ، تصل مقاومتها إلى قيمة معينة. في عام 1919 ، استخدم العالم الهولندي أونز الهيليوم السائل لتبريد الزئبق. عندما انخفضت درجة الحرارة إلى 4.2 كلفن (أي -269 درجة مئوية) ، وجد أن مقاومة الزئبق اختفت تمامًا.

تعتبر الموصلية الفائقة والضعف المغنطيسي سمتان مهمتان للموصلات الفائقة. تسمى درجة الحرارة التي تكون فيها مقاومة الموصل الفائق صفر درجة الحرارة الحرجة (TC). تكمن المشكلة في البحث عن المواد فائقة التوصيل في اختراق" ؛ حاجز درجة الحرارة" ؛ أي للعثور على مواد فائقة التوصيل عالية الحرارة.

تم تسويق المواد العملية فائقة التوصيل التي يمثلها NbTi و Nb3Sn ، وتم تطبيقها في العديد من المجالات مثل التصوير بالرنين المغناطيسي النووي البشري (NMRI) ، والمغناطيسات فائقة التوصيل ومغناطيسات التسريع الكبيرة ؛ تم استخدام الحبار كنموذج للتطبيقات الحالية الضعيفة للموصل الفائق. يلعب دورًا مهمًا في قياس الإشارات الكهرومغناطيسية الضعيفة ، ولا يمكن الوصول إلى حساسيته بواسطة أي جهاز آخر غير فائق التوصيل. ومع ذلك ، نظرًا لأن درجة الحرارة الحرجة للموصلات الفائقة التقليدية منخفضة الحرارة منخفضة للغاية ، يجب استخدامها في أنظمة الهيليوم السائل (4.2K) باهظة الثمن والمعقدة ، مما يحد بشدة من تطوير تطبيقات الموصلية الفائقة منخفضة الحرارة.

أدى ظهور الموصلات الفائقة للأكسيد عالي الحرارة إلى اختراق حاجز درجة الحرارة ورفع درجة حرارة تطبيق الموصلية الفائقة من الهيليوم السائل (4.2 كلفن) إلى النيتروجين السائل (77 كلفن). بالمقارنة مع الهيليوم السائل ، فإن النيتروجين السائل هو مبرد اقتصادي للغاية ولديه سعة حرارية أعلى ، مما يوفر راحة كبيرة للتطبيقات الهندسية. بالإضافة إلى ذلك ، تتميز الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية بخصائص مغناطيسية عالية جدًا ويمكن استخدامها لتوليد مجالات مغناطيسية قوية فوق 20T.

أكثر التطبيقات جاذبية للمواد فائقة التوصيل هي توليد الطاقة ونقلها وتخزينها. يمكن أن يؤدي استخدام مواد فائقة التوصيل لصنع مغناطيس الملف لمولد فائق التوصيل إلى زيادة شدة المجال المغناطيسي للمولد إلى 50000 إلى 60000 غاوس ، ولا يوجد أي فقد للطاقة تقريبًا. بالمقارنة مع المولدات التقليدية ، تزداد السعة المفردة للمولدات فائقة التوصيل بمقدار 5 ~ 10 مرات ، تزداد كفاءة توليد الطاقة بنسبة 50٪ ؛ يمكن لخطوط النقل فائقة التوصيل والمحولات فائقة التوصيل أن تنقل الطاقة إلى المستخدمين تقريبًا دون خسارة. وفقًا للإحصاءات ، فإن حوالي 15 ٪ من فقد الطاقة في نقل الأسلاك النحاسية أو الألومنيوم يكون على خط النقل. في الصين ، يبلغ فقدان الطاقة السنوي أكثر من 100 مليار درجة. إذا تم تغييرها إلى نقل طاقة فائق التوصيل ، فإن الطاقة الموفرة تعادل العشرات الجديدة من محطات الطاقة الكبيرة الحجم ؛ مبدأ العمل للقطارات المغناطيسية فائقة التوصيل هو استخدام الخصائص المغناطيسية للمواد فائقة التوصيل لتقليل المواد فائقة التوصيل. يتم وضع المادة الموصلة فوق المغناطيس الدائم (أو المجال المغناطيسي). نظرًا لقطر مغناطيسية الموصل الفائق ، لا يمكن لخطوط المجال المغناطيسي للمغناطيس المرور عبر الموصل الفائق. سيتم إنشاء القوة الطاردة بين المغناطيس (أو المجال المغناطيسي) والموصل الفائق ، مما يتسبب في ارتفاع الموصل الفائق فوقه. يمكن استخدام هذا النوع من تأثير الرفع المغناطيسي لصنع قطارات رفع مغناطيسي فائقة التوصيل عالية السرعة ، مثل القطارات عالية السرعة في مطار شنغهاي بودونغ الدولي ؛ بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر فائقة التوصيل ، تتطلب أجهزة الكمبيوتر عالية السرعة ترتيبًا كثيفًا للمكونات وخطوط توصيل على شرائح الدوائر المتكاملة ، ولكن الدوائر المرتبة بكثافة يتم توليد كمية كبيرة من الحرارة أثناء التشغيل. إذا تم استخدام مادة فائقة التوصيل ذات مقاومة قريبة من الصفر لصنع سلك توصيل أو جهاز فائق التوصيل مع تسخين فائق الصغر ، فلن تكون هناك مشكلة في تبديد الحرارة ويمكن تحسين سرعة الكمبيوتر بشكل كبير.