موصلية فائقة

فيديولتأثير ظاهرة مايسنر في موصل جيد للكهرباء (الأسود) وارتفاع درجة الحرارة، مع المغناطيس (معدن)

الموصلية الفائقة في الفيزياء هي ظاهرة تحدث في بعض المواد عند تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة جدا تقترب من الصفر المطلق (صفر كلفن) ، حيث تسمح الموصلات الفائقة بمرور الكهرباء خلالها دون أي مقاومة كهربية تقريباً.

عادة تنخفض المقاومة الكهربية للموصلات المعدنية تدريجيا مع انخفاض درجة الحرارة، وفي حالة الموصلات العادية كالنحاس أوالفضة فإن الشوائب الموجودة في المادة تمنع الوصول إلى حد أدنى من المقاومة في درجات الحرارة المنخفضة. ولذلك فعند الاقتراب إلى درجة حرارة تقارب درجة الصفر المطلق فإن عينة من النحاس مثلا لا يمكن حتى توصل لدرجة ممانعة (مقاومة) تساوي الصفر. أما في حالة الموصلات الفائقة فإن الممانعة تنخفض على نحومفاجئ إلى الصفر عندما يتم تبريد المادة إلى درجة حرارة أقل من الدرجة الحرجة لهذه المادة، غالبا 20 كلفن أوأقل.

ففي حالة التوصيل المطلق يمكن لتيار كهربائي يمر في حلقة من مادة فائقة التوصيل حتى يستمر في السريان إلى وقت غير محدود وبدون وجود مصدر للطاقة بعد إعطاء الدفعة الأولى. وظاهرة التوصيل الفائق ظاهرة تفسرها ميكانيكا الكم، ولا يمكن فهمها على أساس أنها تجسيد لظاهرة الموصل المثالي ضمن إطار الميكانيكا الكلاسيكية.

وتحدث حالة التوصيل الفائق في تشكيلة واسعة من المواد مثل: المعادن الخفيفة كالقصدير والألمنيوم، والسيراميك والسبائك الثقيلة، وبعض أشباه الموصلات، ولكن لا يمكن خلق موصلات فائقة من المعادن النبيلة كالمضى والفضة، ولا من المعادن ذات مغناطيسية حديدية.

التطبيقات

تعد المغنطيسات فائقة التوصيل من أقوى المغنطيسات الكهربية المعروفة، وهي تستخدم في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي الطبية، وفي القياس بواسطة مطياف الكتلة ، ومغناطيسات توجيه حزم الجسيمات المشحونة معجلات الجسيمات مثل معجل LHC التي تديره المنظمة الأوروبية للبحث النووي سيرن. كما يمكن استخدامها أيضا في الفصل المغناطيسى، حيث يتم استخلاص الجزيئات ضعيفة المغنطة من مخلوط جزيئات أقل مغنطة أوعديمة المغنطة كما في صناعة الدهانات.

تستخدم الموصلات الفائقة أيضاً في خلق الدوائر الرقمية مثلاً بناء على تقنية الفيض الكمى المفرد السريع ومرشحات ترددات الراديولمحطات الهواتف المحمولة والميكروويف. تستخدم الموصلات الفائقة في خلق ملتقيات "Josephson junctions" ،التي تعتبر لبنات خلق "SQUIDs"، وهوأكثر مقاييس المغنطيسية حساسية على الإطلاق. وتستخدم أجهزة "SQUIDs" في المجهر الإلكترونى الماسح. كما يستخدم عدد من ملتقيات " Josephson junctions" المتصلة على التوالى لتعريف وحدة قياس الجهد الكهربى (الفولت). وحسب كيفية التشغيل يمكن استعمال ملتقى " Josephson junctions" ككاشف للفوتونات أوكخلاط لها. كما حتى التغير الكبير في المقاومة الحادث عند الانتنطق من الحالة العادية إلى حالة التوصيل الفائق يستخدم في خلق موازين الحرارة [الترمومترات] في كواشف الفوتونات التجميدية. وهناك أسواق أخرى تنشأ تتغلب فيها الكفاءة النسبية وميزة الحجم والوزن التي تتمتع بها الأجهزة القائمة على التوصيل الفائق عالي الحرارة على اعتبارات التكلفة الإضافية. ومن التطبيقات المستقبلية الواعدة أيضا نقل الطاقة الكهربية في الشبكات الذكية، والمحولات الكهربية، وأجهزة تخزين الطاقة، والمحركات الكهربية (في دفع المركبات كما في قطارات الخلخلة أوقطارات الاسترفاع المغنطيسى مثلا) وأجهزة الاسترفاع المغنطيسى، والمواد النانومجهرية مثل: أنابيب النانو، والمواد المركبة، والتبريد المغنطيسى فائق التوصيل. غير حتى التوصيل الفائق حساس للحقول المغنطيسية المتحركة، إلى غير ذلك فإن التطبيقات التي تستخدم التيار المتردد (مثل المحولات) ستصبح أشد صعوبة في تطويرها عن تلك التي تعتمد التيار المستمر. لكن العثور على موصل فائق في درجة حرارة الغرفة يتمتع بكفاءة التكاليف هوحلم راود فهماء التوصيل الفائق طوال أجيال. فإذا أمكن التوصل إلى مواد كهذه في المستقبل، ستكون النتيجة ثورة في فهمنا واستخدامنا لكل ما كهربى تقريباً.

أنواع الموصلات الفائقة

تقسم الموصلات الفائقة حسب درجة حرارتها الحرجة إلى:

المواد فائقة التوصيل منخفضة الحرارة (Low temperature superconductor) واختصارا (LTC) وتسمى أيضا المواد فائقة التوصيل التقليدية مثل الزئبق وتمتاز بانخفاض درجة حرارتها الحرجة.
المواد فائقة التوصيل عالية الحرارة (High temperature superconductor) واختصارا (HTC) وتمتاز بارتفاع درجة حرارتها الحرجة.

وتقسم المواد الفائقة التوصيل حسب مجالها الحرج إلى:

موصل فائق من النوع الأول (Type I): من خصائص هذا النوع أنه عندما تتجاوز قيمة المجال المسلط المجال الحرج فإن الموصل يتحول كليا إلى الحالة الاعتيادية وتصبح قيمة العزم المغناطيسي صفراً وبهذا يتمكن المجال الخارجي من اختراق الموصل بصورة كلية.
موصل فائق من النوع الثاني (Type II): يتميز بوجود قيمتان للمجال الحرج، القيمة الأولى وهي أقل قيمة لنرمز لها B¹، والقيمة الثانية وهي أعلى قيمة ونرمز لها B². فاذا تجاوزت قيمة المجال المسلط B¹ ولم تتجاوز B² سيكون الاختراق جزئي للموصل ولن يتحول الموصل إلى الحالة الاعتيادية بل سيصل إلى حالة جديدة تسمى الحالة المختلطة، أما إذا تجاوزت قيمة المجال المسلط القيمة B² فسيتحول الموصل إلى الحالة الاعتيادية لأن المجال سيخترقه بصورة كلية.

المراجع

^ "معلومات عن موصلية فائقة على مسقط enciclopedia.cat". enciclopedia.cat. مؤرشف من الأصل فيثمانية أبريل 2019.
^ "معلومات عن موصلية فائقة على مسقط vocab.getty.edu". vocab.getty.edu. مؤرشف من الأصل في 08 أبريل 2020.
^ "معلومات عن موصلية فائقة على مسقط jstor.org". jstor.org. مؤرشف من الأصل فيتسعة يناير 2020.