ابر رساناها

[spow 44197]

ذخیره‌كننده‌های مغناطیسی انرژی با استفاده از ابررساناها (SMES) و كاربرد آنها برای تعدیل منحنی پیك‌بار و پایداری شبكه در سیستم‌های قدرت

 

استفاده از سیستم‌های ذخیره‌كننده مغناطیسی انرژی نیرومند در شبكه قدرت از اهمیت خاصی برخوردار است. با توجه به قابلیت ذخیره‌سازی بسیار زیاد انرژی سیم‌پیچهای ابررسانا در میدان اطراف خود و امكان تحمل جریانهای بالا به علت مقاومت تقریباً صفر آنها و همچنین پیشرفتهای شایان توجه اخیر در ساخت سیستم‌های ابررسانای دمای پایین و دمای بالا، امید تازه‌ای در استفاده از آنها در شبكه‌های قدرت به منظورهای گوناگون پیدا شده است.

با یك بررسی اجمالی می‌توان دید كه عدم وجود یك سیستم ذخیره‌كننده انرژی هنگام ناپایداری شبكه قدرت و در نتیجه قطعی برق آن تا چه حد می‌تواند هزینه‌بردار و مخرب باشد به عنوان مثال هزینه هر بار قطع شدن برق در یك كارخانه اتومبیل‌سازی ماهانه ۰۰۰/۲۵۰ دلار بوده و این ضرر تا زمانی كه تعمیرات كلی در سطح كارخانه صورت نگیرد ادامه خواهد داشت. ذخیره‌كننده‌های مغناطیسی انرژی با استفاده از ابررسانا (SMES) دارای مزایایی چون: تعدیل منحنی پیك‌بار، حفاظت از ژنراتورها و نگهداری و پایداری شبكه در هنگام وقوع خطا در نقاط مختلف شبكه، استفاده به عنوان سیستم برق اضطراری با توان بالا، تثبیت ولتاژ و فركانس در شبكه و غیره است كه باعث شده تا كار تحقیقات بر روی سیستم‌های SMES با شدت و سرعت بیشتری توسط كشورهای پیشرفته و شركتهای بزرگ تولید و انتقال برق در دنیا دنبال شود.

در این مقاله ضمن بررسی موارد بالا، تاثیر SMES در یك شبكه قدرت بررسی شده و همچنین این سیستم با سیستم‌های ذخیره‌كننده انرژی دیگر مقایسه می‌شود. همچنین سیستم‌های SMES از نظر اقتصادی مورد مطالعه و بررسی قرار خواهد گرفت.

اصولاً یك سیستم قدرت در ساعات مختلف شبانه‌روز دارای مصارف مختلفی است،‌بنابراین میزان تولید انرژی باید متناسب با نیاز مصرف‌كننده تغییر كند. همچنین در یك شبكه وسیع، مشكل تثبیت ولتاژ، تاثیرات هارمونیكها، نامتعادل شدن ناگهانی شبكه در هنگام بروز خطا و در نتیجه از كارافتادن ژنراتورها و در نهایت از سرویس خارج شدن كل شبكه وجود دارد. برای رفع این مشكل تاكنون راه‌حلهای گوناگونی ارایه شده كه به همراه مزایا و معایب سیستم SMES در مقایسه با سیستم‌های معرفی شده دیگر در قسمتهای بعد آورده می‌شود.

با توجه به اینكه عیوب فوق‌الذكر تاثیرات بسیار نامطلوبی بر ژنراتور نیروگاهها و تاسیسات شبكه داشته و بسیار پرهزینه و مضرند، یك سیستم SMES قوی با طراحی صحیح و جایگذاری دقیق در شبكه می‌تواند به طور موثر باعث كاهش هزینه جاری و تعمیر و نگهداری كل شبكه شود.

كشورهایی چون كانادا، ژاپن، سوئیس و آمریكا به طور وسیعی بر روی SMES كار می‌كنند و تاكنون بیش از ۲۰ نمونه از این سیستم با قابلیتها و ظرفیتهای مختلف ساخته‌اند.

در ابتدا معرفی مختصری از سیتم SMES خواهد شد و سپس نقش و تاثیرات عملی آن در یك شبكه قدرت نمونه آورده می‌شود.

● چگونگی ساختار یك سیستم SMES

جزء اصلی یا هسته اساسی یك سیستم SMES، سیستم ابررسانایی آن است. به طور كلی تاكنون دو نوع ابررسانا ساخته شده است. نوع اول ابررساناهای دمای پایین‌اند كه هادی ابررسانا معمولاً یك فلز خالص مانند مس یا آلومینیوم بوده و دمای كار آن در حدود ۲/۴ K است. با وجود مقاومت در حد صفر سیم ابررسانا، میزان تحمل جریان میدان مغناطیسی در سیم با داشتن یك سیستم تبرید خوب، بالاست،‌به حدی كه فن‌آوری جدید، جریانهایی در حدود صدها هزار آمپر را در سطح مقطعهای در حدود سانتی‌متر مطرح می‌كند. برای رسیدن به چنین دمای پایینی، محققان تاكنون چندین روش پیشنهاد كرده و وسایل و سردكننده‌های متنوعی ساخته‌اند. در خنك كردن ابررسانا از هلیم مایع استفاده می‌شود كه این هلیم توسط لوله مخصوصی كه چند جداره بوده و دارای دیواره خلا است به یك یخچال سیكل بسته فرستاده می‌شود. روش دیگر، مایع كردن گاز تبخیر شده از مخزن هلیم حاوی سیم‌پیچهای ابررساناست. برای جلوگیری از انتقال گرما از بیرون به مخزن درونی، از دو یا چند لایه خلا استفاده می‌شود. به جای دو یا چند لایه خلا می‌توان از یك لایه نیتروژن مایع نیز استفاده كرد.اخیراً محققان از مواد ابر عایق نیز در این مورد بهره جسته‌اند.

سیم‌پیچ ذكر شده فوق دارای امپدانس بسیار زیادی بوده و مانند یك منبع جریان DC عمل می‌كند. نكته قابل توجه این است كه جهت جریان هیچ‌گاه در سیم‌پیچ ابررسانا عوض نمی‌شود بلكه در هنگام دشارژ سیم‌پیچ، ولتاژ دو سر آن معكوس می‌شود بنابراین سیستم SMES در واقع یك واحد DC است كه بیشتر كاربردها با یك سیستم AC تركیب می‌شود. معمولاً این تركیب توسط یك كانورتور دو طرفه AC به DC و DC به AC امكانپذیر است كه می‌تواند برای شارژ و دشارژ سیم‌پیچ ابررسانا و همچنین تنظیم و كنترل توان ارسالی یا دریافتی به كار برده شود. به عبارت دیگر این كانورتور باید قادر باشد كه ولتاژ و جریان DC متغیر را از سیم‌پیچ ابررسانا گرفته و به یك ولتاژ AC ثابت و جریان بار با مقادیر و اختلاف فازهای متفاوت تبدیل كند.

نمونه‌ای از نمودار بلوكی ساده شده یك سیستم SMES كه به صورت موازی به سیستم قدرت متصل شده است.

▪ مدار شامل یك سیستم كنترل‌كننده است كه دارای سه وظیفه اصلی است:

كنترل سوئیچهای نمیه‌هادی ایزوله، مشخص كردن و آشكار ساختن ولتاژها و جریانهای منبع توان و مصرف‌كننده‌ها و كنترل ولتاژ تنظیم‌كننده، میزان و جهت توان DC گرفته شده یا داده شده به سیم پیچ ابررسانای سیستم SMES.

نمودار بلوكی، بیشتر برای سیستم‌های كوچك مناسب بوده و تا حدی شبیه به یك سیستم برق اضطراری و تثبیت‌كننده ولتاژ عمل می‌كند. همچنین از دیگر مزایای این سیستم می‌توان اصلاح ضریب قدرت را نام برد.

نمونه دیگری از اجزای تشكیل‌دهنده یك سیستم SMES را نشان می‌دهد كه جزئی از سیستم قدرت پرسك‌آیزل واقع در میلواكی آمریكا در سال ۱۹۹۱ بوده كه در بخشهای بعدی به آن پرداخته خواهد شد. توان مورد نظر برای سیستم مزبور ۱۰۰ مگاوات با ضریب توان ۹/۰ است.

● نحوه كار سیستم SMES

سیم‌پیچ ابررسانا توسط یك یكسوساز AC به DC كه در منبع تغذیه سیم‌پیچ ابررسانا قرار دارد شارژ می‌شود، شارژ‌كننده سیم‌پیچ به منظور غلبه بر تلفات اهمی آن قسمت از مدار كه در دمای محیط قرار دارد، ولتاژ كوچكی در دو سر سیم‌پیچ ایجاد می‌كند. این مساله باعث می‌شود كه جریان ثابتی در سیم‌پیچ ابررسانا جاری شود. در حالت آماده به كار یعنی زمانی كه هیچ تبادل توانی با سیم‌پیچ انجام نمی‌شود جریان ذخیره‌ شده سیم پیچ توسط یك سوئیچ كه دو سر سیم‌پیچ را اتصال كوتاه می‌كند دوباره به خود سیم‌پیچ ابررسانا بازگردانده شده و حالت گردشی پیدا می‌كند. در نتیجه انرژی سیم پیچ ابررسانا حفظ می‌شود. در بعضی از مدلهای SMES این سوئیچ به داخل مخزن حاوی سیم‌پیچ انتقال پیدا كرده كه با طرق مختلف از بیرون مخزن به آن فرمان داده می‌شود. بدون قرار دادن این سوئیچ اتصال كوتاه كننده میزان تلفات سیم‌پیچ در حالت آماده به كار زیاد خواهد بود. مانند قبل منبع تغذیه سیم پیچ به منظور جبران تلفات اهمی قسمتی از مدار كه در گرمای محیط قرار دارد ولتاژ كوچك را در دو سر سیم‌پیچ ابررسانا تولید می‌كند.

 

اگر سیستم كنترل‌كننده حس كند كه ولتاژ خط سیستم قدرت به خاطر تضعیف و یا خطای اتفاق افتاده در شبكه كاهش پیدا كرده، كلید اتصال كوتاه‌كننده ظرف مدت ۲۰۰ تا ۵۰۰ میكروثانیه قطع خواهد شد. به دنبال این امر ابتدا جریان سیم‌پیچ ابررسانا به یك بانك خازنی قوی منتقل شده و سطح ولتاژ آن را بالا می‌برد. سپس سوئیچ دوباره بسته می‌شود. بانك خازنی یك اینورتر ۱۲ پالسه را كه تامین‌كننده توان AC مورد نیاز بار است تغذیه می‌كند.

بار مورد نظر باعث كاهش توان و افت ولتاژ بانك خازنی می‌شود تا حدی كه این ولتاژ به یك حداقل می‌رسد در این حالت مجدداً كلید اتصال كوتاه‌ باز شده و بانك خازنی شارژ می‌شود.

این فرایند آن قدر ادامه می‌یابد تا افت ولتاژ خط تامین شده و ولتاژ خط به حالت عادی باز گردد و یا اینكه انرژی ذخیره شده در سیم‌پیچ ابررسانا پایان یابد. ابعاد و ظرفیت سیستم طوری طراحی می‌شود كه انرژی ذخیره‌شده در سیم‌پیچ بتواند تا بازگرداندن ولتاژ خط تغذیه‌كننده به حالت عادی تداوم پیدا كرده و كافی باشد.

سیستم به نحوی طراحی شده كه می‌تواند قدرت چندین مگاوات را برای جبران‌سازی توان از دست رفته در اثر خطا در مدتی كمتر از ۲۳ میلی‌ثانیه به خط تزریق كند. بدین ترتیب هیچ‌گونه افت ولتاژ یا قطعی انرژی از طرف بار مشاهده نمی‌شود.

شارژ شدن دوباره سیم‌پیچ ابررسانا طی چند دقیقه انجام می‌شود و تعداد شارژ و دشارژ می‌تواند بارها تكرار شود. همچنین برای برآوردن بعضی از نیازها امكان شارژ سریع در حد چند ثانیه نیز امكانپذیر است. البته باید شبكه قدرت، قادر به تامین این میزان توان بوده و شارژ سریع سیم پیچ ابررسانا باعث افت ناگهانی در ولتاژ شبكه نشود. از خصوصیات سیستم این است كه در زمان افت ولتاژ خط، حداكثر ظرف مدت ۵/۰ میلی‌ثانیه این ولتاژ باید تامین شود.

● نقش و تاثیرات سیستم SMES در یك شبكه قدرت نمونه

در این قسمت نقش و تاثیر نصب یك سیستم SMES در یك شبكه قدرت آورده شده است. این تحقیق در منطقه پرسك‌آیزل میلواكی آمریكا انجام شده است. شركت تولید برق ویسكانسین (WE) با بیش از ۰۰۰/۹۰۰ مشترك و حداكثر بار ۵۳۵ مگاوات وظیفه تامین انرژی الكتریكی این منطقه را بر عهده دارد. پرسك‌آیزل از ۹ واحد تولیدی با سوخت ذغال با حداكثر ظرفیت ۵۹۴ مگاوات تشكیل شده است كه شامل ۵ واحد بزرگ (هر كدام ۸۰ تا ۸۵ مگاوات) دو واحد متوسط (۷۵ تا ۵۸ مگاوات) و دو واحد كوچك با حداكثر ظرفیت كلی ۶۲ مگاوات است. این سیستم قرار است در سال ۱۹۹۹ از پرسك‌آیزل به زیرمجموعه پلینز و ویسكانسین مركزی تقسیم شود كه از دو خط ۱۳۸ كیلوولت و یك خط ۳۴۵ كیلوولت تشكیل می‌شود. در سطح حداكثر بار، سیستم توزیع اقتصادی تعیین می‌كند كه حدود ۵۰۰ مگاوات از پرسك‌آیزل برای جنوب به سوی پلینز فرستاده شود و ۴۱۵ مگاوات از ایستگاه دوم پلینز به جنوب انتقال یابد.

پیك بار سیستم بنا به تعریف آن زمانی است كه بار سیستم حداقل به ۹۰ درصد مقدار حداكثر آن برسد و مدت زمان آن ۱۰۰ ساعت در سال است. بررسیهای پایداری نشان داده‌اند كه قطع برق در نقاط مختلف سیستم انتقال در حد ۵۰۰ مگاوات منجر به ناپایداری نوسان اول در پرسك‌آیزل یا منجر به اضافه بارهای سیستم می‌شود. به خاطر فشارهای شدید اعمال شده بر واحد تولید، ناشی از عمل تریپ در هنگامی كه واحد با توان زیاد كار می‌كند لازم است كه مقدار تریپ تولیدی برای انواع خطاهای احتمالی كاهش داده شود.

انتخابهای انجام شده زیر، اصلاحاتی برای سیستم در بر دارند كه در هر مورد سطح تریپ تولید را كاهش می‌دهند.

انتخاب اول نصب یك سیستم SMES در سال ۱۹۹۹ در پرسك‌آیزل است. SMES برای بهبود پایداری نوسان اول و فراهم كردن میرایی به كار برده می‌شود. در حقیقت SMES منتقل‌كننده توان لحظه‌ای است یعنی توان اكتیو را طی دوره‌های سرعت بالا در واحد پرسك‌آیزل ذخیره كرده و در زمان پایین بودن سرعت، آن را آزاد می‌كند.

سیستم احساس و ردیابی اغتشاشات باس ۱۳۸ كیلوولت در پرسك‌آیزل طراحی شده و به همراه سیستم برای اطمینان از پاسخ دینامیكی مناسب سیستم كار خواهد كرد.

انتخاب دوم نصب یك سیستم SMES همراه یك مقاومت ترمزی در پرسك‌آیزل در سال ۱۹۹۹ است. SMES پایداری نوسان اول ومیرایی را بهبود بخشیده و مقاومت ترمزی نیز نقش SMES را تقویت كرده و باعث كوچكتر شدن اندازه آن می‌شود. مقاومت ترمزی مذكور به صورت یك بار مقاومتی مدلسازی شده كه می‌تواند به طور لحظه‌ای قطع و وصل شود. این مقاومت بعد از عملكرد بحرانی كلید خط، وصل شده و بعد از زمان مشخصی قطع می‌شود.

انتخاب سوم افزودن یك پایدار‌كننده سیستم قدرت (Pss) در هر كدام از ۵ واحد بزرگ تولید نیرو در پرسك‌آیزل است. این سیستم‌ها برای تطبیق تحریك هر ژنراتور و ایجاد یك پاسخ میرا شونده در هنگام اغتشاشات سیستم تنظیم شده‌اند. البته مشكلی كه این وسایل دارند این است كه در بهبود پایداری نوسان اول نقشی ندارند.

● استفاده از SMES در سیستم قدرت پرسك‌آیزل

سطح انتقال توان ۵۰۰ مگاوات بوده و ۱۵۲مگاوات از توان مجموعه تریپ می‌شود تا اضافه بارهای سیستم برطرف شود. در حالی كه پاسخ سیستم بدون حضور SMES منجر به ناپایداری نوسان اول در پرسك‌آیزل می‌شود، سیستم SMES علاوه بر فراهم كردن میرایی بعد از خطا، بر مشكل ناپایداری نوسان اول نیز غلبه می‌كند. در شبیه‌سازی این آزمایش با توان انتقالی ۵۰۰ مگاوات از روش سعی و خطا استفاده شده و مشخص شده است كه SMES برای ارسال یا جذب ۵۰۰ مگاوات توان، مدت ۲/۰ ثانیه لازم دارد تا پاسخ را به حالت پایدار برساند.

● استفاده از SMES و مقاومت ترمزی

با استفاده از مقاومت ترمزی ۱۰۰ مگاواتی در پرسك‌آیزل در طول دوره بحرانی، بعد از نوسان اول، توان راكتیو جذب شده و بعد از قطع شدن مقاومت به SMES امكان فراهم كردن میرایی در پرسك‌آیزل را می‌دهد. مدل شبیه‌سازی مقاومت ترمزی شامل كلیدها و مقاومت در حال كار، به مدت دو سیكل بعد از عملكرد كلید است كه پاسخ زمانی، مشابه حالت تریپ ژنراتورهای پرسك‌آیزل است. مقاومت بعد از نصب برای ۱۲ سیكل قبل از قطع شدن روی خط باقی می‌ماند. این ۱۲ سیكل زمانی، از شبیه‌سازیهای دینامیكی به دست می‌آیند و نشان‌دهنده زمانی هستند كه به طور تقریبی برای رسیدن به حداكثر دامنه نوسان اول در پرسك‌آیزل لازم است. برای تعیین اندازه SMES و زمان مرحله‌بندی روش سعی و خطا مورد استفاده قرار گرفته است. با استفاده از این روش مشخص شد كه SMES برای این انتخاب باید ۳۵ مگاوات توان جذب یا ارسال را برای مدت ۲/۰ ثانیه تولید كند. بنابراین مقاومت ترمزی ۱۰۰ مگاوات ماكزیمم توان اكتیو مورد نیاز SMES را ۱۵ مگاوات كاهش می‌دهد.

شبیه‌سازیهای مربوط به SMES همراه با مقاومت ترمزی شبیه SMES اولی، منجر به پایداری سیستم برای حالتهای بحرانی با تریپ تولیدی برابر با مقدار لازم برای حذف اضافه بارها می‌شود. این عمل باعث می‌شود كه یك واحد كمتر از واحدهای نیروگاه پرسك‌آیزل (در طی تریپ نیرو) از مدار خارج شود.

سطح انتقال در این مقایسه ۵۰۰ مگاوات بوده و خطا در زمان ۴ سیكل برطرف می‌شود. از مجموعه پرسك‌آیزل، ۱۵۲ مگاوات توان تریپ شده تا اضافه بارهای سیستم حذف شوند.

شبیه‌سازیها نشان داده‌اند كه با وجودی كه حالات احتمالی باعث ناپایداری نوسان اول در شرایط عدم حضور تجهیزات اضافی می‌شوند، اضافه كردن SMES و مقاومت ترمزی باعث پایداری پاسخ سیستم می‌شوند.

 

● استفاده از سیستم قدرت پایدار‌كننده (PSS)

فن‌آوری نقطه مقابل این روش، استفاده از پایدار‌كننده‌های سیستم قدرت (PSS) در هر كدام از ۵ واحد بزرگ در سال ۱۹۹۹ است. این تجهیزات میراكنندگی لازم را در هنگام خطاها فراهم كرده و تریپ تولید را در هنگام قطعی خطوط كاهش می‌دهند.

دستورالعمل تنظیم PSS از مشخصات پاسخ توانی ژنراتورها، شبیه‌سازی شده و برای هر كدام از ماشینها از پارامترهای مربوطه استفاده می‌شود.

شبیه‌سازیها با پایدار‌كننده‌های نصب شده در پرسك‌آیزل نشان می‌دهد كه روش PSS مانند SMES تریپ مورد نیاز را كاهش می‌دهد. خارج شدن خط ۳۴۵ كیلوولت و دِدریورپرسك آیزل به تنهایی به ۱۵۲مگاوات تریپ توان نیاز دارد تا اضافه بارها و نیز ناپایداریها مرتفع شوند.

اما قطع شدن خط ۱۳۸ كیلوولت در پرسك‌آیزل نیاز به تریپ انرژی به مقدار ۱۳ مگاوات بیشتر از مقدار لازم برا حذف اضافه بارها دارد. اگر چه این مقدار باعث تریپ یك واحد اضافه نسبت به حالتی كه از SMES استفاده شده نمی‌شود ولی باید یك واحد بزرگتر نسبت به حالت قبل، قطع شود. سطح انتقال توان ۵۰۰ مگاوات بوده و ۱۵۲ مگاوات از توان تولیدی پرسك‌آیزل بعد از قطع شدن خط تریپ می‌كند تا اضافه بارهای سیستم حذف شوند.

● مقایسه SMES با دیگر ذخیره‌كننده‌های انرژی

تاكنون به غیر از SMESها، UPS‌های گوناگونی با استفاده از باتری، خازن، چرخ‌گردان و دیگر فن‌آوریهای ذخیره‌سازی انرژی ساخته شده است. هر كدام از این فن‌آوریها از نظر ویژگیهایی مانند: میزان انرژی قابل ذخیره، بازده سیكل شارژ و دشارژ سیستم، تاثیرات محیطی، قابلیت اطمینان، سادگی استفاده و سرعت آماده به كار شدن، امكان استفاده در شبكه به عنوان بار راكتیو، یا تثبیت‌كننده فركانس و پایداركننده شبكه و تعدیل منحنی پیك‌بار و مدت زمانی كه می‌توانند قسمت اعظمی از انرژی را در خود نگه دارند، با یكدیگر تفاوت دارند. بعضی در تعداد مرتبه‌های شارژ و دشارژ، بعضی در سادگی و راحتی استفاده و بعضی در قیمت بر بقیه ارجحیت دارند. مسلم است كه در سطوح انتقال توان مساله میزان توان قابل ذخیره كه معمولاً در حد چند مگاوات است در درجه اهمیت بیشتری قرار دارد.

خوشبختانه سیستم SMES دارای تمام خصوصیات مذكور بوده و به راحتی می‌تواند در هنگام وقوع خطا میزان انرژی زیادی را در اختیار شبكه قرار دهد (تا چندین مگاوات در ثانیه)، در حالی كه سیستمهای چرخ‌گردان و باتریها فاقد این خصوصیت‌اند. همچنین SMES در مقایسه با دیگر وسایل دخیره‌كننده انرژی دارای بازده سیكل شارژ و دشارژ بهتری است كه این بازده حتی به بیش از ۹۵ درصد می‌رسد. مدت زمان نگهداری انرژی در SMES می‌تواند زیاد باشد در حالی كه سیستم‌های چرخ‌گردان و خازنها فاقد این خصوصیات‌ هستند.. تعداد دفعات شارژ و دشارژ در SMES نامحدود بوده كه بمعنی طولانی‌ بودن عمر آن است. عمر یك SMES به بیش از ۳۰ سال می‌رسد كه این مدت از عمر بهترین سیستم‌های دارای چرخ‌گردان و باتری بیشتر است. حجم و وزن اشغال شده برای ذخیره میزان زیادی از انرژی در سیستم‌های SMES از كلیه سیستم‌هایی كه تاكنون پیشنهاد شده به مراتب كمتر است.

یكی از مشكلات سیستم SMES قیمت زیاد آن است كه در قسمت بعدی به آن پرداخته خواهد شد. از دیگر مشكلات SMES می‌توان به میدان مغناطیسی قوی اطراف آن اشاره كرد كه احتیاج به لایه‌های محافظ مغناطیسی تا فاصله ۵ متری سلول SMES دارد، ولی خوشبختانه این میدان در حدی نیست كه برای سلامتی انسان مضر باشد.

● براورد هزینه‌ها و مزایای استفاده از SMES

به صرفه بودن نصب سیستم SMES در یك شبكه، زمانی قابل بررسی و ارزیابی دقیق است كه به بارهای تغذیه شونده و اهمیت پیوسته بودن برق آنها توجه شود. به عنوان مثال طی یك بررسی، هزینه قطعی برق در یك كارخانه اتومبیل‌سازی ماهانه ۰۰۰/۲۵۰ دلار بوده و این ضرر تا زمانی كه تعمیرات كلی در سطح كارخانه صورت گیرد ادامه خواهد داشت. همچنین هر قطع برق در یك كارخانه ساخت نیمه هادیها بین ۰۰۰/۳۰ تا یك میلیون دلار ضرر در بر خواهد داشت. همچنین قطع برق به مدت ۱۵ دقیقه هزینه‌ای برابر با ۲۴/۲۰ دلار به ازای میزان مصرف هر كیلووات ساعت برق بر كلیه كاربران كامپیوتر تحمیل خواهد كرد. قطع برق برای صنایع كوچك نیز هزینه‌هایی در بر دارد كه می‌توان مقادیر آن را از كتاب استانداردهای IEEE ۱۹۸۷-۴۶۶ استخراج كرد. همچنین تریپ دادن ناگهانی ژنراتور هم می‌تواند بسیار هزینه‌بردار باشد، به عنوان مثال خرابی یك ژنراتور بعد از ۲۰ بار تریپ كردن حتمی خواهد بود.

طی یك بررسی اجمالی در شبكه قدرت آمریكا مشخص شده است كه با پرداخت ۵/۱ تا ۳ سنت برای خرید هر دلار توان الكتریكی به شركتهای برق می‌توان كلیه بهینه‌سازیهای مربوط به شبكه قدرت را انجام داد. به عنوان مثال میزان خرید برق سالیانه توسط مشتریان در آمریكا در سال ۱۹۸۷، ۶/۸۵۳ میلیارد دلار بوده است.

بنابراین میزان پرداخت هزینه برای نصب سیستم SMES و بهینه‌سازی شبكه ۶/۲۵ میلیارد دلار در سال خواهد بود. برای به دست آوردن دید بهتر نسبت به هزینه یك سیستم SMES بررسی در مورد نصب یك سیستم SMES و همچنین نصب یك سیستم SMES به اضافه مقاومت ترمزی در محل پرسك‌آیزل انجام می‌شود.

سرمایه‌گذاری مربوط به SMES، شامل تجهیزات SMES، پایدار‌كننده فركانس و نیز هزینه نصب ایستگاه فرعی است. هزینه‌های همچنین شامل دستمزد كارگران، طراحی و مهندسی و سودی است كه می‌تواند از عدم نصب مولد‌های جدید به خاطر نصب سیستم SMES بدست آید. برای سیستم SMES با مقاومت ترمزی، هزینه مقاومت ترمزی و هزینه نصب آن نیز اضافه می شود. البته همان طور كه قبلاً هم ذكر شد به صرفه‌بودن نصب یك سیستم SMES به عوامل مهمی چون اهمیت مصرف‌كننده‌ها، اهمیت میزان حساسیت و هزینه تعمیرات ژنراتور تولید‌كننده‌ها، گستردگی شبكه و عوامل دیگر بستگی دارد كه باید بادقت و توجه بیشتری مورد بازبینی قرار گیرد.

● نتیجه‌گیری و پیشنهادات

قطع برق و مشكلات ناشی از نوسانات و اغتشاشات در شبكه قدرت در بردارنده عوارض و هزینه‌هایی هم برای تولید‌كننده و هم برای مصرف‌كننده است. از جمله تریپ دادن ناگهانی ژنراتور می‌تواند بسیار هزینه ‌بردار باشد. به عنوان مثال خرابی یك ژنراتور بعد از ۲۰ مرتبه تریپ كردن حتمی خواهد بود. همچنین قطع برق به مدت ۱۵ دقیقه هزینه‌ای برابر با ۲۴/۲۰ دلار به ازای میزان مصرف هر كیلووات ساعت برق بر كلیه كاربران كامپیوتر تحمیل خواهد كرد.

با توجه به پیشرفت روز‌افزون استفاده از ابررساناها و مزایای استفاده از سیستم SMES در شبكه‌های قدرت و همچنین در شبكه‌های فشار ضعیف كه پیش از این بیان شد، لازم است كه تحقیقات جدی‌تری در مورد ابررساناها و فن‌آوری ساخت SMES انجام شود. ساخت و نصب نسیستم SMES گرچه پرهزینه بوده و احتیاج به استفاده از فن‌آوریهای جدید در زمینه ابررساناها دارد ولی نصب آن در شبكه بسیار به صرفه است همچنین با توجه به گستردگی و یكپارچه بودن شبكه قدرت در ایران، نصب یك سیستم ذخیره‌كننده انرژی SMES در این شبكه از اهمیت خاصی برخوردار است. منحنی پیك‌بار در ایران حالت عادی نداشته و تفاوت سطح مصرف در ساعات حداكثر بار با دیگر اوقات بسیار زیاد است كه این مساله ایجاب می‌كند كه نیروگاههای جدیدی تنها برای ساعات حداكثر بار ساخته شده و به شبكه اضافه شوند. مزایای گسترش فن‌آوری SMES علاوه بر حل مشكل فوق باعث نفوذ و گسترش و پیشرفت فن‌آوری استفاده از ابررساناها در دیگر صنایع كشور همچون ساخت وسایل مدرن پزشكی، ساخت كابلهای ابررسانا، قطارهای معلق مغناطیسی (Maglev)، توپها و لانچرهای الكترومغناطیسی پرسهای مافوق سنگین، ساخت ماهواره‌ها، ساخت ابركامپیوترها و دیگر صنایع خواهد شد و می‌تواند كشور ما را از نظر علمی و صنعتی در سطح كشورهای پیشرفته دنیا قرار دهد.

[Mehdi.Aref 26780]

ابر رساناها

رسانايى خاصيتى از مواد است كه باعث انتقال انرژى الكتريكى در آنها مى شود. اين خاصيت در مواد مختلف، يكسان نيست. طلا و نقره رسانا هاى خيلى خوبى هستند در حالى كه شيشه يا پلاستيك اصلاً رسانا نيستند. مانعى در برابر رسانش الكتريكى است كه مقاومت ناميده مى شود. تغييرات جزيى ترموديناميكى و الكترو مغناطيسى، روى آن تاثير مى گذارد.بشر همواره مى خواسته كه راه هاى توليد انرژى را ارزان تر كند و يكى از بهترين گزينه ها براى كم كردن هزينه كشف موادى است كه مقاومت كمترى دارند. اما در بعضى از مواد وقتى كه به يك دماى خاص برسيم، تغييرى در حالت ماده به وجود مى آيد كه به آن ابررسانايى مى گويند. در اين حالت مقاومت الكتريكى از بين مى رود به طورى كه جريانى كه در يك حلقه ابررسانا توليد مى شود تا صد هزار سال بدون تغيير باقى مى ماند!

 

 

پژوهش براي بررسي تغيير مقاومت الكتريكي اجسام در دماهاي پائين براي نخستين بار توسط دانشمند اسكاتلندي جيمز دئِور در اواسط قرن نوزدهم آغاز شد. در سال 1864، دو دانشمند لهستاني به نامهاي زيگموند روبلوفسكي و كارل اولزفسكي كه روشي براي براي مايع ساختن اكسيژن و نيتروژن، يافته بودند، به بررسي خواص فيزيكي عناصر و ازجمله مقاومت الكتريكي در دماهاي خيلي كم ادامه دادند و پيش‌بيني نمودند مقاومت الكتريكي در دماهاي كم به شدت كاهش مي‌يابد. روبلوفسكي و اولزفسكي نتايج فعاليت خود را در سال 1880 منتشر ساختند. بعد از آن دِئور و فلمينگ نيز پيش‌بيني ‌خود را مبني بر الكترومغناطيس شدن كامل فلزات خالص در دماي صفر مطلق بيان داشتند. البته دئور بعدها تئوري خود را اصلاح و اعلام داشت مقاومت اينگونه فلزات در دماي مورد اشاره به صفر نمي‌رسد اما مقدار بسيار كمي خواهد بود. والتر نرست نيز با بيان قانون سوم ترموديناميك بيان داشت كه صفر مطلق دست‌نيافتني است. كارل ليند و ويليام همپسون آلماني در همين زمانها روش خنك‌سازي و مايع ساختن گازها با افزايش فشار را به ثبت رساندند.

در سال 1900، نيكلا تسلا كه با سيستم خنك‌سازي ليند كار مي‌كرد، پديده تقويت سيگنالهاي الكتريكي را با سرد شدن اجسام كه درنتيجه كاهش مقاومت آنها بود، مشاهده و به ثبت رساند. سرانجام خاصيت ابررسانايي توسط پروفسور هلندي، كمرلينک اونز، در سال 1911 و زماني‌كه وي سرگرم آزمايش تئوري دئور بود، در دانشگاه ليدن مشاهده شد. اونز دريافت که اگر جيوه در هليم مايع يعني حدود 2/4 درجه كلوين قرار گيرد، مقاومت الکتريکي آن از بين مي‌رود. سپس يك حلقه سربي را در دماي 7 درجه كلوين ابررسانا نمود و قوانين فارادي را بر روي آن آزمايش كرد و مشاهده نمود وقتي با تغيير شار در حلقه جريان القايي توليد شود، حلقه سربي بر عكس رساناهاي ديگر رفتار مي‌نمايد. يعني بعد از قطع ميدان تا زماني‌كه در حالت ابر رسانايي قرار دارد، جريان الكتريكي را تا مدت زيادي حفظ مي‌كند. به عبارت ديگر بعد از به وجود آمدن جريان الكتريكي ناشي از ميدان مغناطيسي در يك سيم ابررسانا، سيم حتي بدون ميدان خارجي يا مولد الكتريكي نيز مي‌تواند حامل جريان باشد. اونز اين رخداد را در آزمايشگاه دانشگاه ليدن با ايجاد جريان ابررسانايي در يک سيم‌پيچ و سپس حمل سيم‌پيچ همراه با سرد کننده‌اي که آن را سرد نگه مي‌داشت به دانشگاه کمبريج به عموم نشان داد. يافته اونز منجر به اعطاي جايزه نوبل فيزيك در سال 1913 به وي شد.

اونز همچنين متوجه شد براي هر يك از مواد ابررسانا، دمايي به نام دماي بحراني وجود دارد كه وقتي ماده از اين دما سردتر شود، جسم ابررسانا مي‌گردد و در دماهاي بالاتر از اين دما، جسم داراي مقاومت الکتريکي است. دماي بحراني عناصر مختلف متفاوت است. مثلا" دماي بحراني جيوه حدود 5 درجه كلوين، سرب 9 درجه كلوين و نيوبيوم 2/9 درجه كلوين مي‌باشد و براي بعضي آلياژها و تركيبات مانند Nb3Sn و Nb3Ge دماي بحراني به 18 و 23 درجه كلوين نيز مي‌رسد. البته فلزات رسانايي مانند طلا، نقره و حتي مس نيز هستند كه تلاش براي رساندن مقاومت ويژه‌شان به صفر بي نتيجه مانده است و مشخص نيست اگر به صفر مطلق برسند مقاومت آنها چقدر خواهد بود. رسانيدن دماي ابررساناهاي متعارف به اين دما نيازمند وجود هليم مايع مي‌باشد كه بسيار پرهزينه، خطرناك و مشکل است. لذا از همان ابتدا تلاش براي توليد ابررساناهايي با دماي بحراني بالاتر شروع شد و محققان در تلاشند مواد ابررسانايي با دماي بحراني بالاتر پيدا كنند.

[Mehdi.Aref 26780]

از كشف ابررسانايي در سال 1911 تاكنون، هيچ نظريه فيزيكي جامعي نتوانسته است به بيان دقيق علت خاصيت ابررسانايي بپردازد. در سال 1957 سه فيزيكدان آمريكايي به نام‌هاي باردين، كوپر و شريفر در دانشگاه ايلي‌نويز نظريه‌اي براي توجيه پديده ابررسانايي در ابررساناهاي متعارف ارائه دادند كه با نام آنها به نظريه BCS معروف گرديد. براساس اين نظريه در ابررساناهاي معمولي، الكترونهايي كه در رسانايي جريان نقش دارند، جفت‌هايي تشكيل مي‌دهند و متقابلاً با عواملي كه باعث مقاومت الكتريكي مي‌شوند، مقابله مي‌كنند. ابداع تئوري BCS نيز براي سه دانشمند آمريكايي جايزه توبل 1972 را به ارمغان آورد. اين‌كه 46 سال طول کشيد تا توجيهي براي پديده ابررسانايي يافت شود، دلايلي داشت. دليل اول اين‌كه جامعة فيزيک تا حدود بيست سال مباني علمي لازم براي ارائه راه حل مسئله را كه تئوري کوانتوم فلزات معمولي بود نداشت. دوم اين‌که تا سال1934 هيچ آزمايش اساسي در اين زمينه انجام نشد. سوم اينکه وقتي مباني علمي لازم بدست آمد، به زودي مشخص شد انرژي مشخصه وابسته به تشکيل ابررسانايي بسيار کوچک يعني حدود يک مليونيم انرژي الکتريکي مشخصة حالت عادي است. بنابراين نظريه پردازان توجه‌شان را به توسعة يک تفسير رويدادي از جريان ابررسانايي جلب کردند. اين مسير توسط فريتز لاندن رهبري مي‌شد. وي در سال 1953 به نکتة زير اشاره کرد:‌ "ابررسانايي پديده‌اي کوانتومي در مقياس ماکروسکوپي است و با جداسازي حالت حداقل انرژي از حالات تحريک شده بوسيلة وقفه هاي زماني رخ مي‌دهد." به علاوه وي بيان داشت كه ديامغناطيس شدن ابررساناها يک مشخصه بنيادي است. تئوري BCS در توضيح و تفسير رويدادهاي ابررسانايي موجود و هم چنين در پيشگويي رويدادهاي جديد نسبتاً موفق بود. در ژوئيه 1959، در اولين کنفرانس بزرگي كه بعد از ارائه ي نظريه ي BCS با موضوع با ابررسانايي در دانشگاه کمبريج برگزار شد، ديويد شوئنبرگ كنفرانس را با اين جمله آغاز کرد: «حالا بايد ببينيم تا چه حد مشاهدات با حقايق نظري جور در مي‌آيند …؟»

کمي بعد از انتشار نتايج اولية تئوري BCS ، در تابستان سال 1957 سه دانشمند دانماركي به نامهاي آگ بور، بن موتلسون و ديويد پاينز، در کپنهاگ نشان دادند که نوترونها و پروتونهاي موجود در هسته اتم به خاطر جذب دوسويه شان جفت مي‌شوند و بدينوسيله توانستند معماي قديمي پديدة هسته‌اي را توجيه نمايند. در همين زمان يوشيرو نامبو نيز در شيکاگو دريافت که ترتيب جفت شدن BCS براي پديده‌هاي انرژي بالا در فيزيک ذرات ابتدائي نيز صحت دارد. بايد گفت در اثر ارائه تئوري BCS بود كه پژوهشگران فلزات ابررساني جديدي را معرفي کردند و مشتاقانه به دنبال موادي گشتند که در دماهاي نسبتاً بالاتر از 20 کلوين ابررسانا مي‌شوند. بعد از ارائه تئوري BCS، دو آلياژ جديد نيز معرفي شدند. يكي مواد الکترون سنگين مانندCeCu2Si2، UPt3 و UBe13 که به عنوان ابررساناهايي در دماهاي حدود يک کلوين توسط فرانك استگليش در آلمان و زاچاري فيسك، جيم اسميت و هانس اوت در آمريكا شناخته شدند و ديگري فلزات آلي تقريبا دو بعدي با دماي بحراني حدود ده درجه کلوين كه در پاريس توسط دانيل ژرومه کشف شد. با وجود تلاش‌هاي زياد بند ماتيوس که حدود صد ماده ابررسانا را کشف کرد، هنوز حد بالايي براي دماي مواد ابررسانا وجود داشت. دمايي که از مکانيسم به کار رفته براي ابررسانايي يعني تعامل فونون القائي ناشي مي‌شد. چنانكه نور كوانتومي را فوتون مي‌نامند، اصوات كوانتومي را نيز فونون ناميده‌اند.

[Mehdi.Aref 26780]

در سال 1962 جوزفسون انگليسي در 22 سالگي آزمايشاتي روي جفت الكترونهاي كوپر انجام داد كه منجر به مشاهده و اعلام پديده‌اي شد كه خاصيت تونل‌زني يا اثر جوزفسون نام گرفت. بر اساس اثر جوزفسون، درصورتيكه دو قطعه ابررسانا توسط يك عايق بسيار نازك (حدود يك نانومتر) به يكديگر متصل شوند، جفت الكترونهاي كوپر مي‌توانند از عايق عبور نمايند. مقدار جريان الكتريكي ايجاد شده به ولتاژ اتصال و ميدان مغناطيسي وابسته است. ارائه تئوري مزبور براي جوزفسون و دو دانشمند ديگر يعني لئو ايزاكي و ايوار گياور كه فعاليتهاي مشابهي در بررسي پديده تونل زني داشتند جايزه نوبل 1973 را به ارمغان آورد.

حدود 70 سال پيشرفتهاي انجام شده براي افزايش دماي بحراني به كندي انجام گرفت. از سال 1911 تا سال 1973 يعني حدود 62 سال دانشمندان تنها توانستند دماي بحراني را از 4 درجه به 3/23 درجه كلوين كه كمي بيشتر 3/20 كلوين يعني دماي ئيدروژن مايع است برسانند اما كار با ئيدروژن مايع نيز پرهزينه، مشكل‌آفرين و خطرساز بود و كاربردهاي ابررسانا را محدود مي‌ساخت. در سالهاي بعد علاوه بر فلزات و آلياژهاي فلزي، فعاليتهايي در زمينه تركيبات نيمه‌فلزي توسط برخي دانشمندان آغاز شد اما هنوز ماده‌اي ديگري به جز فلزات و آلياژها يافته نشده بود كه بتواند در دماهاي مورد انتظار ابررسانا باشد. سرانجام در 27 ژانويه سال 1986 جرج بدنورز و آلكس مولر در مؤسسه تحقيقاتي IBM شهر زوريخ سوئيس موفق به كشف پديدة ابررسانايي در سراميكي از نوع اكسيد مس و شامل لانتانوم و باريوم شدند. دماي بحراني نمونه ساخته شده، حدود 35 درجه كلوين بود و آنها نيز به خاطر كشف ابررساناهاي دمابالا (HTS) موفق به دريافت جايزة نوبل در سال 1987 شدند. طي مدت زمان كوتاهي پس از كشف ابررسانايي دما بالا، دسترسي به دماهاي بحراني بالاتر به سرعت توسعه يافت. يک ماه بعد از كشف بدنورز و مولر، تاناكا و همکاران وي در توکيو نتايج آنها را تأييد نمودند و نتايج فعاليت آنها در يکي از نشريات ژاپني به چاپ رسيد. اندكي بعد از كشف اكسيد مس حاوي باريوم و لانتانوم، در نتيجه همکاري پاول چو از دانشگاه هوستون و مانگ كنگ وو از دانشگاه آلاباما، عضو جديدي از خانواده مواد ابررساناهاي دما بالا با جايگزيني ايتريوم Y به جاي لانتانوم كشف شد. اين ماده سراميكي كه دماي بحراني آن به 92 درجه كلوين مي‌رسيد، به YBCO معروف شد. با توجه به نقطه جوش نيتروژن كه 77 درجه كلوين در فشار يك اتمسفر است، براي سرد شدن اين ابررسانا تا دماي بحراني استفاده از نيتروژن مايع هم امكانپذير بود كه بسيار ارزان‌تر و بي‌خطرتر از ئيدروژن و هليم مايع بود. بنابراين فقط در طي يک سال از کشف اصلي، دماي انتقال به حالت ابررسانايي افزايش سه برابر داشت و واضح بود که انقلاب ابررساناها شروع شده است. براي پاسداشت تحول مهمي كه در علم فيزيك واقع شده بود، توسط انجمن فيزيکدانان آمريکايي در بعدازظهر يکي از روزهاي مارس 1987 جشني هم در نيويورک برگزار شد. اين جشن 3000 شرکت کننده داشت و حدود 3000 نفر نيز اين جشن را از طريق تلويزيون مدار بسته در خارج از محل اصلي تماشا کردند. در طول شش سال بعد، چند خانواده ديگر از ابررساناها کشف شدند که شامل تركيبات شامل توليوم (Tl) و جيوه (Hg) بوده و داراي حداکثر دماي بحراني بيشتر از 120 درجه کلوين بودند. بالاترين مقدار تأييد شده دماي بحراني در فشار معمولي يك اتمسفر، 135 درجه كلوين و متعلق به HgBa2Ca2Cu3O8 مي‌باشد. به صورت تجربي معلوم شده است اگر ماده ابررسانا به صورت مكانيكي تحت فشار قرار گيرد، دماي بحراني ابررسانا كمي تغيير مي‌كند. در سال 1993، دماي بحراني 165 درجه كلوين (108- درجه سانتيگراد) نيز در تركيبي از اكسيد مس و جيوه و البته تحت فشارهاي خيلي بالا گزارش شد. همگي ابررساناهاي مورد اشاره يک ويژگي مشترك داشتند. وجود سطوح تراز شامل اتمهاي اكسيژن و مس که با مواد حامل بار براي سطوح تراز از يكديگر جدا مي‌شوند. با توجه به كاربردهاي مختلف ابررساناها، بسياري از تلاشها بر افزايش دماي عملكرد ابررساناها تا دستيابي به دماي اتاق متمركز شده است.

هر چند دماي بحراني تركيبات جديد سراميكي در حد قابل توجهي از دماي بحراني مواد ابررساناي متعارف (فلزات و آلياژها) بزرگتر است، به دليل خصوصيات فيزيكي اين مواد مانند شكنندگي و پايين بودن چگالي و جريان بحراني كاربردهاي اين مواد هنوز در مرحله‌ي تحقيق است. اخيراً سعيد سلطانيان به همراه يك گروه علمي به سرپرستي پروفسور شي زو دو در دانشگاه ولونگونگ استراليا ابررسانايي ساخته‌اند كه بالاترين ركورد را از نظر خواص مكانيكي در ميان ابررسانا دارد. اين ابررسانا به شكل سيم يا نواري از جنس دي بريد منيزيم (MgB2) با پوششي از آهن است و امكان انعطاف براي ساخت تجهيزات مختلف الكتريكي را داراست.

[Mehdi.Aref 26780]

امروزه گروه هاى مختلفى از سرتاسر جهان به دنبال اين هستند كه بالاخره ماده اى را كشف كنند كه بتواند در دماى معمولى (۳۰۰ كلوين) هم از خود خاصيت ابررسانايى نشان دهد.همان طور كه از ظاهر امر برمى آيد، خاصيت ابررسانايى در سراميك ها و فلزات، سرشتى متفاوت دارند. سراميك ها، نارسانا هستند و سپس به ابررسانا تبديل مى شوند. در حالى كه فلزات رسانا هستند و ناگهان مقاومت در آنها صفر مى شود. دماى گذار به ابررسانايى هم در فلزات بسيار پايين تر از سراميك ها است. به اين ترتيب نظريه BCS ديگر قادر به توضيح ماهيت ابررسانايى در سراميك ها يا ابررسانا هاى دماى بالا (High TC) نيستند. دانشمندان تاكنون نظريه اى رضايت بخش براى توضيح اين پديده نيافته اند و اين مسئله يكى از مهم ترين مسائل حل نشده تاريخ فيزيك است.

ابررساناهاي جديد عموماً سراميكي و اكسيدهاي فلزي ورقه ورقه هستند که در دماي اتاق مواد نسبتاً بي‌ارزشي محسوب مي‌شوند و البته كاربردهاي متفاوتي نيز دارند. اكسيدهاي فلزي ابررسانا در مقايسه با فلزات شامل کمي حامل بار معمولي هستند و داري خواص انيسوتوروپيک الکتريکي و مغناطيسي مي‌باشند. اين خواص به نحو قابل ملاحظه‌اي حساس به محتواي اكسيژن مي‌باشند. نمونه‌هاي ابررساناي موادي مانند YBa2Cu3O7 را يک دانش‌آموز دبيرستاني نيز مي‌تواند در يک اجاق ميکروويو توليد کند اما براي تشخيص خواص فيزيکي ذاتي، کريستالهاي يکتايي با درجه خلوص بالا مورد نياز است كه فرآيند ساخت پيچيده‌اي دارند.

بعد از كشف ابررساناها، تا چند سال تصور مي‌شد رفتار مغناطيسي ابررسانا مانند رساناهاي كامل است. اما در سال 1933 مايسنر و اوشنفلد دريافتند اگر ماده مورد آزمايش قبل از ابررسانا شدن در ميدان مغناطيسي باشد، شار از آن عبور مي‌كند ولي وقتي در حضور ميدان به دماي بحراني برسد و ابررسانا گردد ديگر هيچ‌گونه شار مغناطيسي از آن عبور نخواهد كرد و تبديل به يك ديامغناطيس كامل مي‌شود كه شدت ميدان (B) درون آن صفر خواهد بود. آنها توزيع شار در خارج نمونه‌هاي قلع و سرب را كه در ميدان مغناطيسي تا زير دماي گذار سرد شده بودند را اندازه­گيري و مشاهده كردند كه ابررسانا ديامغناطيس كامل گرديد و تمام شار به بيرون رانده شد. اين آزمايش نشان داد كه ماده ابررسانا چيزي بيشتر از ماده رساناي كامل است. براساس ويژگي مهم ابررساناها، فلزات در حالت ابررسانايي هرگز اجازه نمي‌دهند كه چگالي شار مغناطيسي در درون آنها وجود داشته باشد. به عبارت ديگر در داخل ابررسانا هميشه B=0 است. اين پديده به اثر مايسنر معروف شد.

در اثر پديده مايسنر اگر يك آهنربا روي ماده ابررسانا قرار گيرد، روي آن شناور مي‌ماند. در شكل يك آهنرباي استوانه‌اي روي يك قطعه ابررسانا كه توسط نيتروژن خنك شده شناور است. علت شناور ماندن، اثر مايسنر است كه براساس آن خطوط ميدان مغناطيسي امكان عبور از ابررسانا را نيافته و چنانكه مشاهده مي‌شود، ابررسانا قرص مغناطيسي را شناور نگه مي‌دارد.

 

 

پس از کشف ديامغناطيس بودن ابررساناها، در سال 1950 آلياژهاي ابررسانايي مانند سرب+بيسموت و سرب+تيتانيوم كشف شدند که ميدانهاي بحراني خيلي بالايي از خود نشان مي‌دادند. پژوهشهاي بعدي نشان داد که اين مواد نوع متفاوتي از ابررساناها هستند که بعداً نوع II ناميده شدند. لاندن با استفاده از موازنه انرژي در محدوده کوچکي بين مرز فازهاي ابررسانا و نرمال، شرط تعادل فاز را به دست آورده و به حضور يک سطح انرژي ديگر با منشأ غيرمغناطيسي اشاره کرد كه علاوه بر انرژي مرز بين دو فاز ابررسانا و نرمال وجود داشت. وي متذکر شد که اگر سطح انرژي کل مثبت باشد ابررسانايي ازنوع اول و اگر منفي باشد از نوع دوم است که در اين صورت ميدان مغناطيسي به درون ابررسانا نفوذ مي‌کند. در سال 2003 نيز آلكسي آبريكوزوف و ويتالي گينزبورگ به خاطر بسط تئوري ابررسانايي همراه با آنتوني لگت برنده جايزه نوبل فيزيك شدند.

به تازگي هم پژوهشگران فرانسوي خاصيت جديدي را در ابررساناها پيدا كرده‌اند كه قبلاً در هيچ نظريه‌اي پيش‌بيني نشده بود. چنانكه اشاره شد خواص ابررسانايي در مواد، به دماي محيط، ميدان مغناطيسي و شدت جريان عبوري بستگي دارد. محققان فرانسوي بلوري ساخته‌ بودند كه در دماي 0.04 درجه كلوين ابررسانا مي‌شد و وقتي شدت ميدان مغناطيسي به بيشتر از 2 تسلا مي‌رسيد، اين خاصيت از بين مي‌رفت. يكي از پژوهشگران اين گروه، از روي كنجكاوي، شدت ميدان مغناطيسي را باز هم بيشتر كرد. وقتي شدت ميدان به 12 تسلا رسيد، بلور دوباره ابررسانا شد. وقتي ميدان باز هم بالاتر رفت، اين خاصيت دوباره از بين رفت. اين گزارش كه اخيراً در نشريه علمي ساينس به چاپ رسيده، توجه بسياري از فيزيكدانان حالت جامد را برانگيخته است چرا كه هيچ توضيح خاصي براي اين پديده وجود ندارد. با توجه به موارد گفته شده، به نظر مي‌رسد كه ميدان مغناطيسي متغير باعث ايجاد رفتارهاي جالب پيش‌بيني نشده در ابررساناها مي‌شود. البته بايد توجه داشت كه ابررسانايي يك خاصيت كاملاً كوانتمي است و به سادگي نمي‌توان وضعيت پيش آمده در اين آزمايش را توصيف كرد.

[Mehdi.Aref 26780]

مهمترين خواص ابررساناها

درمورد مهمترين خواص ابررساناها مي‌توان به موارد ذيل اشاره داشت.

 

1. مقاومت ناچيز در مقابل عبور جريان مستقيم و توانايي عبور چگالي جريان بالا: امروزه صرفه‌جويي در مصرف انرژي، يكي از مهم‌ترين نيازهاي كشورهاي صنعتي است. بودجه‌هاي زيادي صرف تحقيقات در زمينه كشف راه‌هاي تازه و موثرتر براي يافتن انرژي‌هاي ارزان‌ و با ريسك كمتر مي‌شود. برپاية اين پديده، بارهاي الكتريكي مي‌توانند بدون تلفات گرمايي از يك رسانا عبور كنند. بنابراين ابررسانايي با نقشي كه مي‌تواند در زمينه صرفه جويي در توليد و انتقال انرژي الكتريكي بازي كند، در آينده بشر نقشي اساسي خواهد داشت و به همين دليل در سالهاي اخير بيش از ده هزار پژوهشگر با صرف هزينه‌هاي زياد، تحقيقات خود را روي موضوع ابررسانايي و كاربردهاي آن در علوم مختلف متمركز ساخته‌اند. با توجه به مقاومت تقريباٌ صفر، ابررساناها درشبکه‌هاي توزيع و انتقال و همچنين ماشينهاي الکتريکي قابل استفاده هستند. اين خاصيت باعث مي‌شود که اگر جرياني در يک ابررسانا ايجاد شود، بدون کاهش قابل توجهي براي مدت طولاني برقرار بماند. همينطور شدت جريان عبوري از ابررسانا نيز به علت فقدان افت اهمي بسيار بالاست. براي مثال آلياژ نيوبيوم و تيتانيوم که در درجه حرارت 4/4 كلوين به حالت ابررسانايي مي‌رسد قادر به عبور جريان 2000 آمپر بر ميليمتر مربع در شدت ميدان 5 تسلا است. اين چگالي صد بار بيشتر از چگالي جريان در سيمهاي مسي معمولي است. البته در صورت افزايش چگالي جريان از حد معيني، ابررسانا در وضعيت مقاومتي قرار مي‌گيرد و خصوصيت ابررسانايي را از دست خواهد داد. جريان يا چگالي جرياني که ابررسانا مي‌تواند از خود عبور دهد و خاصيت ابررسانايي را از دست ندهد به جريان بحراني يا چگالي جريان بحراني معروف است.

 

 

 

2. توانايي در توليد ميدانهاي مغناطيسي قوي: پديدة ابررسانايي در فن‌آوري‌هاي جديد از توانايي‌هاي گسترده‌اي برخوردار است. خواص ابررسانايي در مواد، علاوه بر دماي محيط و شدت جريان عبوري، به ميدان مغناطيسي هم بستگي دارد. يعني حتي اگر جسم در دمايي پايين‌تر از حد ابررسانايي باشد، وقتي ميدان مغناطيسي از ميزان مشخصي بيشتر باشد، خاصيت ابررسانايي از بين خواهد رفت. از اين ميدان‌ها مي‌توان در قطارهاي مغناطيسي استفاده کرد. شدت اين ميدانها براي آلياژ نيوبيوم و تيتانيوم (NbTi) به حدود 10 تسلا نيز مي‌رسد. شدت ميدان مغناطيسي در جهت از بين بردن خاصيت ابررسانايي عمل مي‌کند. ميدان بحراني به شدت ميداني اشاره دارد که ابررسانا خاصيت خود را در آن شدت ميدان از دست مي‌دهد. براي توضيح خصوصيات مغناطيسي ابررسانا، فرض كنيد كه در غياب هر گونه مغناطيسي ابتدا مقاومت ابررسانا با سرد شدن از بين برود و سپس ميدان مغناطيسي به آن اعمال شود. به دليل آنكه چگالي شار نمي‌تواند در داخل فلز تغيير كند، بايد حتي بعد از اعمال ميدان مغناطيسي نيز صفر باقي بماند. در واقع اعمال ميدان مغناطيسي، جريانهاي بدون مقاومتي را القا مي‌كند كه در سطح نمونه طوري گردش مي‌كنند كه چگالي شار مغناطيسي آنها در داخل نمونه دقيقاً برابر و در جهت مخالف چگالي شار ميدان مغناطيسي اعمال شده باشد و از آنجايي كه اين جريانها از بين نمي‌روند، چگالي شار خالص در داخل نمونه صفر باقي مي‌ماند.

سالهاي بسياري تصور مي‌شد كه تمام ابررساناها بر اساس اصول فيزيكي مشابهي رفتار مي‌كنند. اما اكنون ثابت شده ابررساناها با توجه به رفتار فيزيكي، به دو گروه مختلف كه به ابررساناهاي نوع I وII معروفند بايد دسته‌بندي شوند. بيشتر عناصر در شرايط ابررسانايي، رفتار ابررسانايي از نوع I را از خود نشان مي‌دهند اما تعداد كمي از عناصر و بيشتر آلياژها عموماً رفتار ابررسانايي از نوع II را بروز مي‌دهند.

 

 

توجيه اختلاف بين ابررساناهاي نوع Iو II مبتني بر مسافت آزاد ميانگين الکترونهاي هدايتي در فاز نرمال است. مقاومت الکتروني در مواد ابررساناي نوع I يعني آلياژها و فلزات واسط در حالت عادي کوتاه است اما با افزودن مقداري از يک عنصر خاص، مسافت آزاد ميانگين الکترونهاي هدايتي افزايش يافته و ابررساناي نوع اول به ابررساناي نوع دوم تبديل مي‌شود. از نظر مغناطيسي، ابررساناهاي نوع اول داراي دو محدوده و ابررساناهاي نوع دوم داراي سه ناحيه براي فعاليت هستند.

 

 

 

 

3. خاصيت تونل‌زني: اين مشخصه به اين معني است که اگر دو ابررسانا را خيلي به هم نزديک کنيم، مقداري از جريان يکي به ديگري نشت مي‌کند. در دو سر اين پيوندگاه يا تونل هيچ ولتاژي وجود ندارد. يعني ميزان جريان نشتي به ولتاژ بستگي ندارد ولي به ميدان مغناطيسي و تابش مغناطيسي حتي در مقادير خيلي کوچک بشدت وابسته است.

 

• اندازه گيرى مقاومت ابررسانا

اونس براى اندازه گيرى مقاومت ابررسانا آزمايشى را به اين صورت طرح كرد كه ابتدا جريانى را در دو سر يك پيچه برقرار كرد و سپس آن را داخل يك ظرف هليم مايع فرو برد تا به حالت ابررسانايى درآيد. سپس دو سر پيچه را به هم وصل كرد تا اتصال كوتاه شود. سپس با قرار دادن يك قطب نما، هرگونه افت در ميعان مغناطيسى توليد شده توسط جريان در پيچه را اندازه گرفت. چنين آزمايشى، چندين سال بعد در MIT (موسسه فناورى ماساچوست) در ابعاد بسيار بزرگ انجام شد و پس از مدت دو سال هيچ گونه افت جريانى مشاهده نشد. اما سرانجام اعتصاب صنفى كارگران بخش حمل و نقل در ايالت ماساچوست باعث شد كه هليم مايع به موقع به آزمايشگاه نرسد و آزمايش متوقف شود.

[Mehdi.Aref 26780]

• كشفى نااميد كننده

كشف خاصيت ابررسانايى در نخستين مراحل، دانشمندان را مصمم به ساخت منبع لايزالى براى توليد انرژى كرد؛ يعنى ساخت سيم پيچ هايى عظيم از ابررسانا براى صرفه جويى در مصرف برق. اما اين بار هم اونس بود كه نشان داد زياد شدن ميدان مغناطيسى باعث از بين رفتن خاصيت ابررسانايى مى شود.در واقع هم دما و هم ميدان مغناطيسى و هم شدت جريان الكتريكى عبورى در ايجاد خاصيت ابررسانايى در فلزات موثر است. اگر ميدان مغناطيسى در محيط ايجاد شود، دماى ابررسانى پايين تر مى رود.

 

• تكنولوژى ابررسانا ها

در ارتباط با ابررسانا هاى جديد در دماى بالا تاكنون هيچ كاربرد تجارى در گستره دمايى كه فعلاً كشف شده (زير ۲۰۰ كلوين) به طور كامل به منصه ظهور نرسيده است. حتى در آزمايش هاى فضايى كه در دمايى پايين تر از دماى گذار به ابررسانايى در اين مواد انجام مى شود، پژوهشگران ترجيح مى دهند از همان ابررسانا هاى قبلى و در محيط هليم مايع استفاده كنند تا به تمام جنبه هاى مسئله مسلط باشند. فورى ترين كاربرد براى ابررسانا هاى دماى بالا ساخت تراشه هاى فوق سريع است كه انقلابى عظيم را در فناورى اطلاعات ايجاد خواهد كرد كه با اختراع ترانزيستور ها قابل قياس است. يكى از كاربرد هاى ابررسانا ها با توجه به حساسيت آنها به ميدان مغناطيسى اكتشافات معدنى، زمين شناختى و حتى رديابى زيردريايى ها است. ساخت قطار هايى كه با استفاده از خاصيت ابررسانايى ميدان مغناطيسى توليد مى كنند كه آنها را بالاتر از سطح زمين و بدون هيچ گونه اصطكاك با ريل كه موجب تلف كردن مقدار زيادى از انرژى مى شود، قطار را به حركت درمى آورد، يكى از شناخته شده و معروف ترين كاربرد هاى ابررسانايى است. اين قطار ها قادرند مسافت بيش از ۵۰۰ كيلومتر را در كمتر از يك ساعت بپيمايند. به كار بردن ابررسانا ها در خطوط انتقال نيرو حتى با احتساب كليه هزينه هاى سرد نگه داشتن ابررسانا رقمى معادل ۷۰ تا ۸۰ درصد صرفه جويى در مصرف برق را نشان مى دهد كه بسيار عظيم است.به كار بردن ابررسانا ها در وسايل تحقيقاتى (مثل شتاب دهنده ها) و وسايل پزشكى (مثل دستگاه mri) از كاربرد هاى عادى ابررسانا ها شده است.به كار بردن ابررسانا هاى سراميكى مزيت ديگرى هم دارند و آن اين كه براى سرد كردن آنها (با توجه به دماى بالاتر نسبت به ابررسانا هاى فلزى) به جاى هليم مايع مى توان از نيتروژن مايع استفاده كرد كه بسيار ارزان تر و فراوان تر است. يكى از مهم ترين مسائل فنى، تبديل ابررساناى سراميكى به هليم است كه بايد حل شود و تا آن زمان چاره اى جز صبر نداريم.

منبع : شرق آنلاین

[am in 25041]

رسانايى خاصيتى از مواد است كه باعث انتقال انرژى الكتريكى در آنها مى شود. اين خاصيت در مواد مختلف، يكسان نيست. طلا و نقره رسانا هاى خيلى خوبى هستند در حالى كه شيشه يا پلاستيك اصلاً رسانا نيستند. مانعى در برابر رسانش الكتريكى است كه مقاومت ناميده مى شود. تغييرات جزيى ترموديناميكى و الكترو مغناطيسى، روى آن تاثير مى گذارد.بشر همواره مى خواسته كه راه هاى توليد انرژى را ارزان تر كند و يكى از بهترين گزينه ها براى كم كردن هزينه كشف موادى است كه مقاومت كمترى دارند. اما در بعضى از مواد وقتى كه به يك دماى خاص برسيم، تغييرى در حالت ماده به وجود مى آيد كه به آن ابررسانايى مى گويند. در اين حالت مقاومت الكتريكى از بين مى رود به طورى كه جريانى كه در يك حلقه ابررسانا توليد مى شود تا صد هزار سال بدون تغيير باقى مى ماند!

[am in 25041]

پژوهش براي بررسي تغيير مقاومت الكتريكي اجسام در دماهاي پائين براي نخستين بار توسط دانشمند اسكاتلندي جيمز دئِور در اواسط قرن نوزدهم آغاز شد. در سال 1864، دو دانشمند لهستاني به نامهاي زيگموند روبلوفسكي و كارل اولزفسكي كه روشي براي براي مايع ساختن اكسيژن و نيتروژن، يافته بودند، به بررسي خواص فيزيكي عناصر و ازجمله مقاومت الكتريكي در دماهاي خيلي كم ادامه دادند و پيش‌بيني نمودند مقاومت الكتريكي در دماهاي كم به شدت كاهش مي‌يابد. روبلوفسكي و اولزفسكي نتايج فعاليت خود را در سال 1880 منتشر ساختند. بعد از آن دِئور و فلمينگ نيز پيش‌بيني ‌خود را مبني بر الكترومغناطيس شدن كامل فلزات خالص در دماي صفر مطلق بيان داشتند. البته دئور بعدها تئوري خود را اصلاح و اعلام داشت مقاومت اينگونه فلزات در دماي مورد اشاره به صفر نمي‌رسد اما مقدار بسيار كمي خواهد بود. والتر نرست نيز با بيان قانون سوم ترموديناميك بيان داشت كه صفر مطلق دست‌نيافتني است. كارل ليند و ويليام همپسون آلماني در همين زمانها روش خنك‌سازي و مايع ساختن گازها با افزايش فشار را به ثبت رساندند.

[am in 25041]

در سال 1900، نيكلا تسلا كه با سيستم خنك‌سازي ليند كار مي‌كرد، پديده تقويت سيگنالهاي الكتريكي را با سرد شدن اجسام كه درنتيجه كاهش مقاومت آنها بود، مشاهده و به ثبت رساند. سرانجام خاصيت ابررسانايي توسط پروفسور هلندي، كمرلينک اونز، در سال 1911 و زماني‌كه وي سرگرم آزمايش تئوري دئور بود، در دانشگاه ليدن مشاهده شد. اونز دريافت که اگر جيوه در هليم مايع يعني حدود 2/4 درجه كلوين قرار گيرد، مقاومت الکتريکي آن از بين مي‌رود. سپس يك حلقه سربي را در دماي 7 درجه كلوين ابررسانا نمود و قوانين فارادي را بر روي آن آزمايش كرد و مشاهده نمود وقتي با تغيير شار در حلقه جريان القايي توليد شود، حلقه سربي بر عكس رساناهاي ديگر رفتار مي‌نمايد. يعني بعد از قطع ميدان تا زماني‌كه در حالت ابر رسانايي قرار دارد، جريان الكتريكي را تا مدت زيادي حفظ مي‌كند. به عبارت ديگر بعد از به وجود آمدن جريان الكتريكي ناشي از ميدان مغناطيسي در يك سيم ابررسانا، سيم حتي بدون ميدان خارجي يا مولد الكتريكي نيز مي‌تواند حامل جريان باشد. اونز اين رخداد را در آزمايشگاه دانشگاه ليدن با ايجاد جريان ابررسانايي در يک سيم‌پيچ و سپس حمل سيم‌پيچ همراه با سرد کننده‌اي که آن را سرد نگه مي‌داشت به دانشگاه کمبريج به عموم نشان داد. يافته اونز منجر به اعطاي جايزه نوبل فيزيك در سال 1913 به وي شد.

[am in 25041]

اونز همچنين متوجه شد براي هر يك از مواد ابررسانا، دمايي به نام دماي بحراني وجود دارد كه وقتي ماده از اين دما سردتر شود، جسم ابررسانا مي‌گردد و در دماهاي بالاتر از اين دما، جسم داراي مقاومت الکتريکي است. دماي بحراني عناصر مختلف متفاوت است. مثلا" دماي بحراني جيوه حدود 5 درجه كلوين، سرب 9 درجه كلوين و نيوبيوم 2/9 درجه كلوين مي‌باشد و براي بعضي آلياژها و تركيبات مانند Nb3Sn و Nb3Ge دماي بحراني به 18 و 23 درجه كلوين نيز مي‌رسد. البته فلزات رسانايي مانند طلا، نقره و حتي مس نيز هستند كه تلاش براي رساندن مقاومت ويژه‌شان به صفر بي نتيجه مانده است و مشخص نيست اگر به صفر مطلق برسند مقاومت آنها چقدر خواهد بود. رسانيدن دماي ابررساناهاي متعارف به اين دما نيازمند وجود هليم مايع مي‌باشد كه بسيار پرهزينه، خطرناك و مشکل است. لذا از همان ابتدا تلاش براي توليد ابررساناهايي با دماي بحراني بالاتر شروع شد و محققان در تلاشند مواد ابررسانايي با دماي بحراني بالاتر پيدا كنند.

[am in 25041]

از كشف ابررسانايي در سال 1911 تاكنون، هيچ نظريه فيزيكي جامعي نتوانسته است به بيان دقيق علت خاصيت ابررسانايي بپردازد. در سال 1957 سه فيزيكدان آمريكايي به نام‌هاي باردين، كوپر و شريفر در دانشگاه ايلي‌نويز نظريه‌اي براي توجيه پديده ابررسانايي در ابررساناهاي متعارف ارائه دادند كه با نام آنها به نظريه bcs معروف گرديد. براساس اين نظريه در ابررساناهاي معمولي، الكترونهايي كه در رسانايي جريان نقش دارند، جفت‌هايي تشكيل مي‌دهند و متقابلاً با عواملي كه باعث مقاومت الكتريكي مي‌شوند، مقابله مي‌كنند. ابداع تئوري bcs نيز براي سه دانشمند آمريكايي جايزه توبل 1972 را به ارمغان آورد. اين‌كه 46 سال طول کشيد تا توجيهي براي پديده ابررسانايي يافت شود، دلايلي داشت. دليل اول اين‌كه جامعة فيزيک تا حدود بيست سال مباني علمي لازم براي ارائه راه حل مسئله را كه تئوري کوانتوم فلزات معمولي بود نداشت. دوم اين‌که تا سال1934 هيچ آزمايش اساسي در اين زمينه انجام نشد. سوم اينکه وقتي مباني علمي لازم بدست آمد، به زودي مشخص شد انرژي مشخصه وابسته به تشکيل ابررسانايي بسيار کوچک يعني حدود يک مليونيم انرژي الکتريکي مشخصة حالت عادي است. بنابراين نظريه پردازان توجه‌شان را به توسعة يک تفسير رويدادي از جريان ابررسانايي جلب کردند. اين مسير توسط فريتز لاندن رهبري مي‌شد. وي در سال 1953 به نکتة زير اشاره کرد:‌ "ابررسانايي پديده‌اي کوانتومي در مقياس ماکروسکوپي است و با جداسازي حالت حداقل انرژي از حالات تحريک شده بوسيلة وقفه هاي زماني رخ مي‌دهد." به علاوه وي بيان داشت كه ديامغناطيس شدن ابررساناها يک مشخصه بنيادي است. تئوري bcs در توضيح و تفسير رويدادهاي ابررسانايي موجود و هم چنين در پيشگويي رويدادهاي جديد نسبتاً موفق بود. در ژوئيه 1959، در اولين کنفرانس بزرگي كه بعد از ارائه ي نظريه ي bcs با موضوع با ابررسانايي در دانشگاه کمبريج برگزار شد، ديويد شوئنبرگ كنفرانس را با اين جمله آغاز کرد: «حالا بايد ببينيم تا چه حد مشاهدات با حقايق نظري جور در مي‌آيند …؟»

[am in 25041]

کمي بعد از انتشار نتايج اولية تئوري BCS ، در تابستان سال 1957 سه دانشمند دانماركي به نامهاي آگ بور، بن موتلسون و ديويد پاينز، در کپنهاگ نشان دادند که نوترونها و پروتونهاي موجود در هسته اتم به خاطر جذب دوسويه شان جفت مي‌شوند و بدينوسيله توانستند معماي قديمي پديدة هسته‌اي را توجيه نمايند. در همين زمان يوشيرو نامبو نيز در شيکاگو دريافت که ترتيب جفت شدن BCS براي پديده‌هاي انرژي بالا در فيزيک ذرات ابتدائي نيز صحت دارد. بايد گفت در اثر ارائه تئوري BCS بود كه پژوهشگران فلزات ابررساني جديدي را معرفي کردند و مشتاقانه به دنبال موادي گشتند که در دماهاي نسبتاً بالاتر از 20 کلوين ابررسانا مي‌شوند. بعد از ارائه تئوري BCS، دو آلياژ جديد نيز معرفي شدند. يكي مواد الکترون سنگين مانندCeCu2Si2، UPt3 و UBe13 که به عنوان ابررساناهايي در دماهاي حدود يک کلوين توسط فرانك استگليش در آلمان و زاچاري فيسك، جيم اسميت و هانس اوت در آمريكا شناخته شدند و ديگري فلزات آلي تقريبا دو بعدي با دماي بحراني حدود ده درجه کلوين كه در پاريس توسط دانيل ژرومه کشف شد. با وجود تلاش‌هاي زياد بند ماتيوس که حدود صد ماده ابررسانا را کشف کرد، هنوز حد بالايي براي دماي مواد ابررسانا وجود داشت. دمايي که از مکانيسم به کار رفته براي ابررسانايي يعني تعامل فونون القائي ناشي مي‌شد. چنانكه نور كوانتومي را فوتون مي‌نامند، اصوات كوانتومي را نيز فونون ناميده‌اند.

در سال 1962 جوزفسون انگليسي در 22 سالگي آزمايشاتي روي جفت الكترونهاي كوپر انجام داد كه منجر به مشاهده و اعلام پديده‌اي شد كه خاصيت تونل‌زني يا اثر جوزفسون نام گرفت. بر اساس اثر جوزفسون، درصورتيكه دو قطعه ابررسانا توسط يك عايق بسيار نازك (حدود يك نانومتر) به يكديگر متصل شوند، جفت الكترونهاي كوپر مي‌توانند از عايق عبور نمايند. مقدار جريان الكتريكي ايجاد شده به ولتاژ اتصال و ميدان مغناطيسي وابسته است. ارائه تئوري مزبور براي جوزفسون و دو دانشمند ديگر يعني لئو ايزاكي و ايوار گياور كه فعاليتهاي مشابهي در بررسي پديده تونل زني داشتند جايزه نوبل 1973 را به ارمغان آورد.

[am in 25041]

حدود 70 سال پيشرفتهاي انجام شده براي افزايش دماي بحراني به كندي انجام گرفت. از سال 1911 تا سال 1973 يعني حدود 62 سال دانشمندان تنها توانستند دماي بحراني را از 4 درجه به 3/23 درجه كلوين كه كمي بيشتر 3/20 كلوين يعني دماي ئيدروژن مايع است برسانند اما كار با ئيدروژن مايع نيز پرهزينه، مشكل‌آفرين و خطرساز بود و كاربردهاي ابررسانا را محدود مي‌ساخت. در سالهاي بعد علاوه بر فلزات و آلياژهاي فلزي، فعاليتهايي در زمينه تركيبات نيمه‌فلزي توسط برخي دانشمندان آغاز شد اما هنوز ماده‌اي ديگري به جز فلزات و آلياژها يافته نشده بود كه بتواند در دماهاي مورد انتظار ابررسانا باشد. سرانجام در 27 ژانويه سال 1986 جرج بدنورز و آلكس مولر در مؤسسه تحقيقاتي IBM شهر زوريخ سوئيس موفق به كشف پديدة ابررسانايي در سراميكي از نوع اكسيد مس و شامل لانتانوم و باريوم شدند. دماي بحراني نمونه ساخته شده، حدود 35 درجه كلوين بود و آنها نيز به خاطر كشف ابررساناهاي دمابالا (HTS) موفق به دريافت جايزة نوبل در سال 1987 شدند. طي مدت زمان كوتاهي پس از كشف ابررسانايي دما بالا، دسترسي به دماهاي بحراني بالاتر به سرعت توسعه يافت. يک ماه بعد از كشف بدنورز و مولر، تاناكا و همکاران وي در توکيو نتايج آنها را تأييد نمودند و نتايج فعاليت آنها در يکي از نشريات ژاپني به چاپ رسيد. اندكي بعد از كشف اكسيد مس حاوي باريوم و لانتانوم، در نتيجه همکاري پاول چو از دانشگاه هوستون و مانگ كنگ وو از دانشگاه آلاباما، عضو جديدي از خانواده مواد ابررساناهاي دما بالا با جايگزيني ايتريوم Y به جاي لانتانوم كشف شد. اين ماده سراميكي كه دماي بحراني آن به 92 درجه كلوين مي‌رسيد، به YBCO معروف شد. با توجه به نقطه جوش نيتروژن كه 77 درجه كلوين در فشار يك اتمسفر است، براي سرد شدن اين ابررسانا تا دماي بحراني استفاده از نيتروژن مايع هم امكانپذير بود كه بسيار ارزان‌تر و بي‌خطرتر از ئيدروژن و هليم مايع بود. بنابراين فقط در طي يک سال از کشف اصلي، دماي انتقال به حالت ابررسانايي افزايش سه برابر داشت و واضح بود که انقلاب ابررساناها شروع شده است. براي پاسداشت تحول مهمي كه در علم فيزيك واقع شده بود، توسط انجمن فيزيکدانان آمريکايي در بعدازظهر يکي از روزهاي مارس 1987 جشني هم در نيويورک برگزار شد. اين جشن 3000 شرکت کننده داشت و حدود 3000 نفر نيز اين جشن را از طريق تلويزيون مدار بسته در خارج از محل اصلي تماشا کردند. در طول شش سال بعد، چند خانواده ديگر از ابررساناها کشف شدند که شامل تركيبات شامل توليوم (Tl) و جيوه (Hg) بوده و داراي حداکثر دماي بحراني بيشتر از 120 درجه کلوين بودند. بالاترين مقدار تأييد شده دماي بحراني در فشار معمولي يك اتمسفر، 135 درجه كلوين و متعلق به HgBa2Ca2Cu3O8 مي‌باشد. به صورت تجربي معلوم شده است اگر ماده ابررسانا به صورت مكانيكي تحت فشار قرار گيرد، دماي بحراني ابررسانا كمي تغيير مي‌كند. در سال 1993، دماي بحراني 165 درجه كلوين (108- درجه سانتيگراد) نيز در تركيبي از اكسيد مس و جيوه و البته تحت فشارهاي خيلي بالا گزارش شد. همگي ابررساناهاي مورد اشاره يک ويژگي مشترك داشتند. وجود سطوح تراز شامل اتمهاي اكسيژن و مس که با مواد حامل بار براي سطوح تراز از يكديگر جدا مي‌شوند. با توجه به كاربردهاي مختلف ابررساناها، بسياري از تلاشها بر افزايش دماي عملكرد ابررساناها تا دستيابي به دماي اتاق متمركز شده است.

[am in 25041]

هر چند دماي بحراني تركيبات جديد سراميكي در حد قابل توجهي از دماي بحراني مواد ابررساناي متعارف (فلزات و آلياژها) بزرگتر است، به دليل خصوصيات فيزيكي اين مواد مانند شكنندگي و پايين بودن چگالي و جريان بحراني كاربردهاي اين مواد هنوز در مرحله‌ي تحقيق است. اخيراً سعيد سلطانيان به همراه يك گروه علمي به سرپرستي پروفسور شي زو دو در دانشگاه ولونگونگ استراليا ابررسانايي ساخته‌اند كه بالاترين ركورد را از نظر خواص مكانيكي در ميان ابررسانا دارد. اين ابررسانا به شكل سيم يا نواري از جنس دي بريد منيزيم (MgB2) با پوششي از آهن است و امكان انعطاف براي ساخت تجهيزات مختلف الكتريكي را داراست.

امروزه گروه هاى مختلفى از سرتاسر جهان به دنبال اين هستند كه بالاخره ماده اى را كشف كنند كه بتواند در دماى معمولى (۳۰۰ كلوين) هم از خود خاصيت ابررسانايى نشان دهد.همان طور كه از ظاهر امر برمى آيد، خاصيت ابررسانايى در سراميك ها و فلزات، سرشتى متفاوت دارند. سراميك ها، نارسانا هستند و سپس به ابررسانا تبديل مى شوند. در حالى كه فلزات رسانا هستند و ناگهان مقاومت در آنها صفر مى شود. دماى گذار به ابررسانايى هم در فلزات بسيار پايين تر از سراميك ها است. به اين ترتيب نظريه BCS ديگر قادر به توضيح ماهيت ابررسانايى در سراميك ها يا ابررسانا هاى دماى بالا (High TC) نيستند. دانشمندان تاكنون نظريه اى رضايت بخش براى توضيح اين پديده نيافته اند و اين مسئله يكى از مهم ترين مسائل حل نشده تاريخ فيزيك است.

[am in 25041]

ابررساناهاي جديد عموماً سراميكي و اكسيدهاي فلزي ورقه ورقه هستند که در دماي اتاق مواد نسبتاً بي‌ارزشي محسوب مي‌شوند و البته كاربردهاي متفاوتي نيز دارند. اكسيدهاي فلزي ابررسانا در مقايسه با فلزات شامل کمي حامل بار معمولي هستند و داري خواص انيسوتوروپيک الکتريکي و مغناطيسي مي‌باشند. اين خواص به نحو قابل ملاحظه‌اي حساس به محتواي اكسيژن مي‌باشند. نمونه‌هاي ابررساناي موادي مانند YBa2Cu3O7 را يک دانش‌آموز دبيرستاني نيز مي‌تواند در يک اجاق ميکروويو توليد کند اما براي تشخيص خواص فيزيکي ذاتي، کريستالهاي يکتايي با درجه خلوص بالا مورد نياز است كه فرآيند ساخت پيچيده‌اي دارند.

بعد از كشف ابررساناها، تا چند سال تصور مي‌شد رفتار مغناطيسي ابررسانا مانند رساناهاي كامل است. اما در سال 1933 مايسنر و اوشنفلد دريافتند اگر ماده مورد آزمايش قبل از ابررسانا شدن در ميدان مغناطيسي باشد، شار از آن عبور مي‌كند ولي وقتي در حضور ميدان به دماي بحراني برسد و ابررسانا گردد ديگر هيچ‌گونه شار مغناطيسي از آن عبور نخواهد كرد و تبديل به يك ديامغناطيس كامل مي‌شود كه شدت ميدان (B) درون آن صفر خواهد بود. آنها توزيع شار در خارج نمونه‌هاي قلع و سرب را كه در ميدان مغناطيسي تا زير دماي گذار سرد شده بودند را اندازه­گيري و مشاهده كردند كه ابررسانا ديامغناطيس كامل گرديد و تمام شار به بيرون رانده شد. اين آزمايش نشان داد كه ماده ابررسانا چيزي بيشتر از ماده رساناي كامل است. براساس ويژگي مهم ابررساناها، فلزات در حالت ابررسانايي هرگز اجازه نمي‌دهند كه چگالي شار مغناطيسي در درون آنها وجود داشته باشد. به عبارت ديگر در داخل ابررسانا هميشه B=0 است. اين پديده به اثر مايسنر معروف شد.

در اثر پديده مايسنر اگر يك آهنربا روي ماده ابررسانا قرار گيرد، روي آن شناور مي‌ماند. در شكل يك آهنرباي استوانه‌اي روي يك قطعه ابررسانا كه توسط نيتروژن خنك شده شناور است. علت شناور ماندن، اثر مايسنر است كه براساس آن خطوط ميدان مغناطيسي امكان عبور از ابررسانا را نيافته و چنانكه مشاهده مي‌شود، ابررسانا قرص مغناطيسي را شناور نگه مي‌دارد.

[am in 25041]

پس از کشف ديامغناطيس بودن ابررساناها، در سال 1950 آلياژهاي ابررسانايي مانند سرب+بيسموت و سرب+تيتانيوم كشف شدند که ميدانهاي بحراني خيلي بالايي از خود نشان مي‌دادند. پژوهشهاي بعدي نشان داد که اين مواد نوع متفاوتي از ابررساناها هستند که بعداً نوع ii ناميده شدند. لاندن با استفاده از موازنه انرژي در محدوده کوچکي بين مرز فازهاي ابررسانا و نرمال، شرط تعادل فاز را به دست آورده و به حضور يک سطح انرژي ديگر با منشأ غيرمغناطيسي اشاره کرد كه علاوه بر انرژي مرز بين دو فاز ابررسانا و نرمال وجود داشت. وي متذکر شد که اگر سطح انرژي کل مثبت باشد ابررسانايي ازنوع اول و اگر منفي باشد از نوع دوم است که در اين صورت ميدان مغناطيسي به درون ابررسانا نفوذ مي‌کند. در سال 2003 نيز آلكسي آبريكوزوف و ويتالي گينزبورگ به خاطر بسط تئوري ابررسانايي همراه با آنتوني لگت برنده جايزه نوبل فيزيك شدند.

به تازگي هم پژوهشگران فرانسوي خاصيت جديدي را در ابررساناها پيدا كرده‌اند كه قبلاً در هيچ نظريه‌اي پيش‌بيني نشده بود. چنانكه اشاره شد خواص ابررسانايي در مواد، به دماي محيط، ميدان مغناطيسي و شدت جريان عبوري بستگي دارد. محققان فرانسوي بلوري ساخته‌ بودند كه در دماي 0.04 درجه كلوين ابررسانا مي‌شد و وقتي شدت ميدان مغناطيسي به بيشتر از 2 تسلا مي‌رسيد، اين خاصيت از بين مي‌رفت. يكي از پژوهشگران اين گروه، از روي كنجكاوي، شدت ميدان مغناطيسي را باز هم بيشتر كرد. وقتي شدت ميدان به 12 تسلا رسيد، بلور دوباره ابررسانا شد. وقتي ميدان باز هم بالاتر رفت، اين خاصيت دوباره از بين رفت. اين گزارش كه اخيراً در نشريه علمي ساينس به چاپ رسيده، توجه بسياري از فيزيكدانان حالت جامد را برانگيخته است چرا كه هيچ توضيح خاصي براي اين پديده وجود ندارد. با توجه به موارد گفته شده، به نظر مي‌رسد كه ميدان مغناطيسي متغير باعث ايجاد رفتارهاي جالب پيش‌بيني نشده در ابررساناها مي‌شود. البته بايد توجه داشت كه ابررسانايي يك خاصيت كاملاً كوانتمي است و به سادگي نمي‌توان وضعيت پيش آمده در اين آزمايش را توصيف كرد.

[am in 25041]

مهمترين خواص ابررساناها

درمورد مهمترين خواص ابررساناها مي‌توان به موارد ذيل اشاره داشت.

 

1. مقاومت ناچيز در مقابل عبور جريان مستقيم و توانايي عبور چگالي جريان بالا: امروزه صرفه‌جويي در مصرف انرژي، يكي از مهم‌ترين نيازهاي كشورهاي صنعتي است. بودجه‌هاي زيادي صرف تحقيقات در زمينه كشف راه‌هاي تازه و موثرتر براي يافتن انرژي‌هاي ارزان‌ و با ريسك كمتر مي‌شود. برپاية اين پديده، بارهاي الكتريكي مي‌توانند بدون تلفات گرمايي از يك رسانا عبور كنند. بنابراين ابررسانايي با نقشي كه مي‌تواند در زمينه صرفه جويي در توليد و انتقال انرژي الكتريكي بازي كند، در آينده بشر نقشي اساسي خواهد داشت و به همين دليل در سالهاي اخير بيش از ده هزار پژوهشگر با صرف هزينه‌هاي زياد، تحقيقات خود را روي موضوع ابررسانايي و كاربردهاي آن در علوم مختلف متمركز ساخته‌اند. با توجه به مقاومت تقريباٌ صفر، ابررساناها درشبکه‌هاي توزيع و انتقال و همچنين ماشينهاي الکتريکي قابل استفاده هستند. اين خاصيت باعث مي‌شود که اگر جرياني در يک ابررسانا ايجاد شود، بدون کاهش قابل توجهي براي مدت طولاني برقرار بماند. همينطور شدت جريان عبوري از ابررسانا نيز به علت فقدان افت اهمي بسيار بالاست. براي مثال آلياژ نيوبيوم و تيتانيوم که در درجه حرارت 4/4 كلوين به حالت ابررسانايي مي‌رسد قادر به عبور جريان 2000 آمپر بر ميليمتر مربع در شدت ميدان 5 تسلا است. اين چگالي صد بار بيشتر از چگالي جريان در سيمهاي مسي معمولي است. البته در صورت افزايش چگالي جريان از حد معيني، ابررسانا در وضعيت مقاومتي قرار مي‌گيرد و خصوصيت ابررسانايي را از دست خواهد داد. جريان يا چگالي جرياني که ابررسانا مي‌تواند از خود عبور دهد و خاصيت ابررسانايي را از دست ندهد به جريان بحراني يا چگالي جريان بحراني معروف است.

 

 

 

2. توانايي در توليد ميدانهاي مغناطيسي قوي: پديدة ابررسانايي در فن‌آوري‌هاي جديد از توانايي‌هاي گسترده‌اي برخوردار است. خواص ابررسانايي در مواد، علاوه بر دماي محيط و شدت جريان عبوري، به ميدان مغناطيسي هم بستگي دارد. يعني حتي اگر جسم در دمايي پايين‌تر از حد ابررسانايي باشد، وقتي ميدان مغناطيسي از ميزان مشخصي بيشتر باشد، خاصيت ابررسانايي از بين خواهد رفت. از اين ميدان‌ها مي‌توان در قطارهاي مغناطيسي استفاده کرد. شدت اين ميدانها براي آلياژ نيوبيوم و تيتانيوم (NbTi) به حدود 10 تسلا نيز مي‌رسد. شدت ميدان مغناطيسي در جهت از بين بردن خاصيت ابررسانايي عمل مي‌کند. ميدان بحراني به شدت ميداني اشاره دارد که ابررسانا خاصيت خود را در آن شدت ميدان از دست مي‌دهد. براي توضيح خصوصيات مغناطيسي ابررسانا، فرض كنيد كه در غياب هر گونه مغناطيسي ابتدا مقاومت ابررسانا با سرد شدن از بين برود و سپس ميدان مغناطيسي به آن اعمال شود. به دليل آنكه چگالي شار نمي‌تواند در داخل فلز تغيير كند، بايد حتي بعد از اعمال ميدان مغناطيسي نيز صفر باقي بماند. در واقع اعمال ميدان مغناطيسي، جريانهاي بدون مقاومتي را القا مي‌كند كه در سطح نمونه طوري گردش مي‌كنند كه چگالي شار مغناطيسي آنها در داخل نمونه دقيقاً برابر و در جهت مخالف چگالي شار ميدان مغناطيسي اعمال شده باشد و از آنجايي كه اين جريانها از بين نمي‌روند، چگالي شار خالص در داخل نمونه صفر باقي مي‌ماند.

سالهاي بسياري تصور مي‌شد كه تمام ابررساناها بر اساس اصول فيزيكي مشابهي رفتار مي‌كنند. اما اكنون ثابت شده ابررساناها با توجه به رفتار فيزيكي، به دو گروه مختلف كه به ابررساناهاي نوع I وII معروفند بايد دسته‌بندي شوند. بيشتر عناصر در شرايط ابررسانايي، رفتار ابررسانايي از نوع I را از خود نشان مي‌دهند اما تعداد كمي از عناصر و بيشتر آلياژها عموماً رفتار ابررسانايي از نوع II را بروز مي‌دهند.

 

 

توجيه اختلاف بين ابررساناهاي نوع Iو II مبتني بر مسافت آزاد ميانگين الکترونهاي هدايتي در فاز نرمال است. مقاومت الکتروني در مواد ابررساناي نوع I يعني آلياژها و فلزات واسط در حالت عادي کوتاه است اما با افزودن مقداري از يک عنصر خاص، مسافت آزاد ميانگين الکترونهاي هدايتي افزايش يافته و ابررساناي نوع اول به ابررساناي نوع دوم تبديل مي‌شود. از نظر مغناطيسي، ابررساناهاي نوع اول داراي دو محدوده و ابررساناهاي نوع دوم داراي سه ناحيه براي فعاليت هستند.

 

 

 

 

3. خاصيت تونل‌زني: اين مشخصه به اين معني است که اگر دو ابررسانا را خيلي به هم نزديک کنيم، مقداري از جريان يکي به ديگري نشت مي‌کند. در دو سر اين پيوندگاه يا تونل هيچ ولتاژي وجود ندارد. يعني ميزان جريان نشتي به ولتاژ بستگي ندارد ولي به ميدان مغناطيسي و تابش مغناطيسي حتي در مقادير خيلي کوچک بشدت وابسته است.

[am in 25041]

• اندازه گيرى مقاومت ابررسانا

اونس براى اندازه گيرى مقاومت ابررسانا آزمايشى را به اين صورت طرح كرد كه ابتدا جريانى را در دو سر يك پيچه برقرار كرد و سپس آن را داخل يك ظرف هليم مايع فرو برد تا به حالت ابررسانايى درآيد. سپس دو سر پيچه را به هم وصل كرد تا اتصال كوتاه شود. سپس با قرار دادن يك قطب نما، هرگونه افت در ميعان مغناطيسى توليد شده توسط جريان در پيچه را اندازه گرفت. چنين آزمايشى، چندين سال بعد در mit (موسسه فناورى ماساچوست) در ابعاد بسيار بزرگ انجام شد و پس از مدت دو سال هيچ گونه افت جريانى مشاهده نشد. اما سرانجام اعتصاب صنفى كارگران بخش حمل و نقل در ايالت ماساچوست باعث شد كه هليم مايع به موقع به آزمايشگاه نرسد و آزمايش متوقف شود.

 

• كشفى نااميد كننده

كشف خاصيت ابررسانايى در نخستين مراحل، دانشمندان را مصمم به ساخت منبع لايزالى براى توليد انرژى كرد؛ يعنى ساخت سيم پيچ هايى عظيم از ابررسانا براى صرفه جويى در مصرف برق. اما اين بار هم اونس بود كه نشان داد زياد شدن ميدان مغناطيسى باعث از بين رفتن خاصيت ابررسانايى مى شود.در واقع هم دما و هم ميدان مغناطيسى و هم شدت جريان الكتريكى عبورى در ايجاد خاصيت ابررسانايى در فلزات موثر است. اگر ميدان مغناطيسى در محيط ايجاد شود، دماى ابررسانى پايين تر مى رود.

[am in 25041]

تكنولوژى ابررسانا ها

در ارتباط با ابررسانا هاى جديد در دماى بالا تاكنون هيچ كاربرد تجارى در گستره دمايى كه فعلاً كشف شده (زير ۲۰۰ كلوين) به طور كامل به منصه ظهور نرسيده است. حتى در آزمايش هاى فضايى كه در دمايى پايين تر از دماى گذار به ابررسانايى در اين مواد انجام مى شود، پژوهشگران ترجيح مى دهند از همان ابررسانا هاى قبلى و در محيط هليم مايع استفاده كنند تا به تمام جنبه هاى مسئله مسلط باشند. فورى ترين كاربرد براى ابررسانا هاى دماى بالا ساخت تراشه هاى فوق سريع است كه انقلابى عظيم را در فناورى اطلاعات ايجاد خواهد كرد كه با اختراع ترانزيستور ها قابل قياس است. يكى از كاربرد هاى ابررسانا ها با توجه به حساسيت آنها به ميدان مغناطيسى اكتشافات معدنى، زمين شناختى و حتى رديابى زيردريايى ها است. ساخت قطار هايى كه با استفاده از خاصيت ابررسانايى ميدان مغناطيسى توليد مى كنند كه آنها را بالاتر از سطح زمين و بدون هيچ گونه اصطكاك با ريل كه موجب تلف كردن مقدار زيادى از انرژى مى شود، قطار را به حركت درمى آورد، يكى از شناخته شده و معروف ترين كاربرد هاى ابررسانايى است. اين قطار ها قادرند مسافت بيش از ۵۰۰ كيلومتر را در كمتر از يك ساعت بپيمايند. به كار بردن ابررسانا ها در خطوط انتقال نيرو حتى با احتساب كليه هزينه هاى سرد نگه داشتن ابررسانا رقمى معادل ۷۰ تا ۸۰ درصد صرفه جويى در مصرف برق را نشان مى دهد كه بسيار عظيم است.به كار بردن ابررسانا ها در وسايل تحقيقاتى (مثل شتاب دهنده ها) و وسايل پزشكى (مثل دستگاه mri) از كاربرد هاى عادى ابررسانا ها شده است.به كار بردن ابررسانا هاى سراميكى مزيت ديگرى هم دارند و آن اين كه براى سرد كردن آنها (با توجه به دماى بالاتر نسبت به ابررسانا هاى فلزى) به جاى هليم مايع مى توان از نيتروژن مايع استفاده كرد كه بسيار ارزان تر و فراوان تر است. يكى از مهم ترين مسائل فنى، تبديل ابررساناى سراميكى به هليم است كه بايد حل شود و تا آن زمان چاره اى جز صبر نداريم.