ما هي الموصلية الفائقة وما هي المواد فائقة التوصيل ؟

ما هي الموصلية الفائقة وما هي المواد فائقة التوصيل ؟


ظاهرة التوصيل الفائق

اكتشف العالم الهولندي هيك كامرلين أونيس (Onnes .K.H) مع مساعديه ظاهرة الموصلية الفائقة أثناء دراسة بعض مقاومات المعادن في درجات حرارة تصل إلى الصفر، ففي عام 1908 تمكن العالم أونس من تسييل غاز الهيليوم الذي تبلغ درجة غليانه -269 درجة مئوية أي ما يعادل 4.2 كلفن.
وفي عام 1911 اكتشف أونس أن المقاومة الكهربائية للزئبق المتجمد تنخفض إلى الصفر تقريباً.
وفي عام 1913 حاز أونِس علي جائزة نوبل في الفيزياء لدراسته خواص المواد عند درجات حرارة منخفضة وتسييله للهليوم.

تعريف ظاهرة التوصيل الفائق أو الموصلية الفائقة

وهي ظاهرة تحدث في بعض المواد عند تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة جداً تقترب من الصفر المطلق (صفر كلفن) حيث تسمح الموصلات الفائقة بمرور الكهرباء خلالها دون أي مقاومة كهربائية تقريباً، وهي ظاهرة غريبة فسلوكها الكهربي من حيث عدم المقاومة للتيار الكهربائي، وسلوكها المغناطيسي هما السمتان البارزتان لها، ما جعل من بعض المواد ذات تطبيقات غير محدودة، ويحدث التوصيل الفائق في الفلزات والسبائك في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، ويصبح كل من الرصاص والزئبق والصفيح فائق التوصيل في هذه الدرجة.

المواد فائقة التوصيل Superconductors

عادة تنخفض المقاومة الكهربية للموصلات المعدنية تدريجياً مع انخفاض درجة الحرارة، وفي حالة الموصلات العادية كالنحاس أو الفضة فإن الشوائب الموجودة في المادة تمنع الوصول الي حد أدني من المقاومة في درجات الحرارة المنخفضة ولذلك فعند الإقتراب الي درجة حرارة تقارب درجة الصفر المطلق فان عينة من النحاس مثلاً لايمكن أن تصل لدرجة مقاومة تساوي الصفر، أما في حالة الموصلات الفائقة فان المقاومة تنخفض على نحو مفاجئ إلى الصفر؛ عندما يتم تبريد المادة إلى درجة حرارة أقل من الدرجة الحرجة لهذه المادة، غالباً 20 كلفن أو أقل.

وتحدث حالة التوصيل الفائق في تشكيلة واسعة من المواد مثل المعادن الخفيفة كالقصدير والألمنيوم والسيراميك والسبائك الثقيلة وبعض أشباه الموصلات ولكن لايمكن صنع موصلات فائقة من المعادن النبيلة كالذهب والفضة ومن المعادن ذات مغناطيسية حديدية.

ليس للموصل الفائق أية مقاومة كهربية على الإطلاق لذلك إذا أدخلنا تياراً كهربياً في دائرة تتكون من سلك فائق التوصيل فإن التيار الكهربي يستمر في السريان طالما استمرت للسلك موصليته الفائقة، ويسمي التيار حين إذا بالتيار المداوم (Persistent Current).

إن اكتشاف الموصلات الفائقة سوف يساعد في المستقبل على إدخال العديد من التقنيات المتقدمة ولكن هناك العديد من المشاكل التي لها علاقة بعلوم المواد والتي يجب أن نتغلب عليها قبل أن تصبح مثل هذه التطبيقات على أرض الواقع، ربما من أهم الصعوبات التقنية هي كيف يمكن صب مثل هذه المادة الخزفية القابلة للكسر في أشكال يمكن الاستفادة منها مثل أسلاك أو أشرطة لاستعمالها في التطبيقات الكبيرة، أو الأفلام الرقيقة في حالة الأجهزة الصغيرة مثل SQUID؟

هناك مشكلة أخرى وهي قلة كثافة التيار في حالة المركبات الخزفية ذات الحجم مقارنة بالأفلام الرقيق، وإذا افترضنا بأننا تغلبنا على مثل هذه المشاكل فإنه من المشوق بأن نتنبأ ببعض التطبيقات المستقبلية لهذه المواد التي تم اكتشافها حديثاً.


أهم تطبيقات المواد فائقة التوصيل

وأهمها المغنطيسات فائقة التوصيل، فهي 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 المغناطيسي، حيث يتم استخلاص الجزيئات ضعيفة المغنطة من مخلوط جزيئات أقل مغنطة أو عديمة المغنطة كما في صناعة الدهانات.

تستخدم الموصلات الفائقة أيضاً في صنع الدوائر الرقمية مثل مرشحات ترددات الراديو لمحطات الهواتف المحمولة والميكروويف.

كما يُعد من أهم تطبيقاتها القطار المغناطيسي المعلق (Magnetically levitating train) أو ما يُعرف بالقطار الفائق أو القطار الطائر؛ والذي بُنيت فكرة تصميمه على ظاهرة الطرد المغناطيسي بحيث تطفو أو تعوم عجلات القطارات المصنوعة من المواد فائقة التوصيل على مغناطيس فائق شديد وبالتالي ينعدم الاحتكاك بين عجلات القطارات والقضبان مما يساعد في زيادة سرعة القطارات و هذه القطارات التي تسير مرتفعة عن الأرض.

المصادر:
1- digitaltrends.com
2- crazyengineers.com
3- مقدمة في الفيزياء الحديثة وميكانيكا الكم؛ د. محمد سالم الليد؛ منشورات الدار الأكاديمية – طرابلس - الطبعة الأولى - 2009.
4- د. رأفت كامل واصف – أساسيات

جميع الحقوق محفوظة © أرابوست

تصميم الورشه