معلومات

الموصلية الفائقة: ما هي ولماذا هي مهمة لمستقبلنا

الموصلية الفائقة: ما هي ولماذا هي مهمة لمستقبلنا

في يناير 2019 ، أعلنت المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) أنها بصدد وضع اللمسات الأخيرة على خطط لمصادم دائري مستقبلي (FCC) ليحل محل مصادم الهادرون الكبير الذي يبلغ طوله حوالي 100 كيلومتر ، ويعمل بمغناطيس يستغل قوة الموصلية الفائقة. قادرة على تسريع الجسيمات حتى تقترب من سرعة الضوء ليتم تحطيمها معًا ، تتمتع لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) بإمكانية أن تصبح "مصنع هيجز بوزون". لكن ما الذي يجعل الموصلات الفائقة القوة بهذه القوة؟

تكمن الإجابة في الخاصية المذهلة للموصلية الفائقة ، وهي خاصية مادية فريدة من نوعها لديها القدرة على إحداث ثورة في النقل الكهربائي والنقل والفيزياء كما نعرفها.

ما هي الموصلية الفائقة؟

من الواضح أن الموصلية الفائقة مهمة ، فما هي؟

للبدء ، نحتاج إلى فهم كيفية مرور التيار الكهربائي عبر مادة ما وما هو الدور الذي تلعبه المقاومة في هذه العملية.

للحصول على تيار كهربائي ، يجب أن يكون لديك مادة سالبة الشحنة ، ومادة لها شحنة موجبة نسبيًا ، وموصل يمرر الإلكترونات من المادة سالبة الشحنة إلى المادة الموجبة الشحنة.

راجع أيضًا: الأطباء من جميع أنحاء العالم يكتشفون اكتشاف الموصلات الفائقة الجديدة

هذه العملية ، مع ذلك ، ليست مثالية. لا تمر كل مادة هذه الإلكترونات بسهولة كما في المادة التالية ، وحتى في أكثر المعادن موصلة مثل النحاس ، توفر المادة مقاومة للتيار. تعني هذه المقاومة أن التيار بأكمله لا يمكن أن يمر عبر المادة وأن التيار يفقد بعضًا من طاقته على شكل حرارة.

إن فقدان الطاقة هذا ليس بالضرورة سيئًا ، لأن هذه الطاقة الحرارية هي ما يمنحنا مصابيح كهربائية وتقنيات حديثة أخرى ، ولكن إذا كنت تنقل الطاقة من جزء من البلاد إلى آخر ، فإن فقدان الطاقة هذا غير فعال بشكل لا يصدق.

هناك مشكلة أخرى وهي أن التيار يضعف بمرور الوقت أثناء مروره عبر مادة مقاومة حيث يتم استنزافها ببطء كطاقة حرارية. وهذا يعني أن هناك حدًا لمدى انتقال التيار الكهربائي قبل أن يتبدد تمامًا.

وهذا ما يجعل الموصلية الفائقة مميزة للغاية. تحدث الموصلية الفائقة عندما تتوقف مادة ما عن مقاومة تيار كهربائي وتسمح لها بالمرور عبره بحرية ، دون أي فقد ظاهر للطاقة نتيجة لذلك.

للحصول على المواد في حالة فائقة التوصيل ، يجب تجميد المادة إلى درجة حرارة منخفضة للغاية ، وأحيانًا إلى درجات قليلة فوق الصفر المطلق (-459.67 درجة فهرنهايت ، -273.15 درجة مئوية). بعد ذلك ، لأسباب لا نزال لا نستطيع تفسيرها ، تتوقف المقاومة الكهربائية فجأة ، ويمكن للتيار الكهربائي أن يستمر حول الدائرة على ما يبدو إلى الأبد.

هذه ليست الخاصية الغريبة الوحيدة للناقلية الفائقة. يمكن للعديد من المواد في حالة الموصلية الفائقة أن تلغي المجال المغناطيسي ، مما يؤدي إلى "تحوم" المغناطيسات فوق الموصل الفائق.

كيف اكتشفنا شيئًا مثل الموصل الفائق؟

مثل العديد من الاكتشافات العلمية العظيمة ، تم اكتشاف الموصلية الفائقة عن طريق الصدفة.

في الثامن من أبريل عام 1911 ، كان الفيزيائي الهولندي هايك كاميرلنغ أونز من جامعة ليدن يدرس خصائص الزئبق الصلب عندما عثر على هذه الظاهرة الغريبة.

أخذ الهيليوم السائل واستخدامه لخفض درجة حرارة ملف الزئبق الصلب إلى 4.2 درجة كلفن فقط (-452.11 درجة فهرنهايت ، -268.95 درجة مئوية) ، رأى أونز أن المقاومة الكهربائية اختفت فجأة وأن قوة التيار الكهربائي في الملف لم يتبدد.

اختبر أونز لاحقًا هذه العملية على الرصاص ووجد أنه توقف أيضًا عن مقاومة التيار الكهربائي ، هذه المرة عند 7 درجات كلفن. أطلق على الخاصية المكتشفة حديثًا الموصلية الفائقة وفاز بجائزة نوبل عام 1913 عن عمله.

جاءت القفزة الكبيرة التالية في عام 1933 عندما اكتشف العالمان الألمان والثر ميسنر وروبرت أوشنفيلد أن المواد في حالة فائقة التوصيل تطرد مجالًا مغناطيسيًا. سيولد المغناطيس الذي يمر فوق الموصل تيارًا كهربائيًا ، وهو ما يجعل المولدات الكهربائية ممكنة.

على الرغم من ذلك ، في الموصل الفائق ، يعكس التيار الذي ينتجه المغناطيس بالضبط المجال الذي يولده المغناطيس ، والذي يصد المغناطيس. هذا له تأثير إجبار المغناطيس على التحليق في الهواء ، وهو ما يُعرف اليوم باسم تأثير مايسنر.

يواصل العلماء تحقيق الاكتشافات على مدى العقدين المقبلين ، لكن الخطوة الرئيسية التالية في الموصلية الفائقة جاءت عندما ابتكر أليكس مولر وجورج بيدنورز من مختبر أبحاث آي بي إم في روشليكون بسويسرا مادة خزفية فائقة التوصيل عند 30 درجة كلفن.

أدى هذا إلى موجة من النشاط حيث لم يعتبر العلماء أن السيراميك مادة فائقة التوصيل - الخزف عادة ما يكون عوازل - مما أدى في النهاية إلى قيام فريق بحث في جامعة ألاباما-هنتسفيل بتطوير سيراميك فائق التوصيل عند 92 درجة كلفن ( -294 درجة فهرنهايت ، -181.15 درجة مئوية) ، أكثر دفئًا من النيتروجين السائل ، وهو متاح على نطاق واسع.

كيف يتم استخدام الموصلات الفائقة؟

ما زلنا نستكشف التطبيقات العملية للموصلات الفائقة ، ولكن تم استخدامها بالفعل في العالم.

بصرف النظر عن الاستخدامات الصناعية المحددة ، فإن التطبيق الأكثر استخدامًا للموصلات الفائقة هو جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي الموجود بشكل شائع في المستشفيات. يمكن للنظام فائق التوصيل فقط أن يسمح للطاقة المطلوبة لتوليد مجال مغناطيسي يعمل على التصوير بالرنين المغناطيسي ، والتي يمكن أن تكون في أي مكان من 2500 مرة إلى 10000 ضعف قوة المجال المغناطيسي للأرض ، لتكون اقتصادية.

إلى جانب جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي ، فإن الاستخدام الأكثر شهرة للمواد فائقة التوصيل هو في مسرعات الجسيمات ، مثل النوع المستخدم في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) التابع لـ CERN أو المصادم الدائري المستقبلي المقترح.

إذا كانت آلة التصوير بالرنين المغناطيسي تبدو قوية ، فإن المصادم LHC هو وحش مطلق.

إن إرسال تريليونات من الجسيمات حول 27 كم من الأنفاق بسرعات قريبة من سرعة الضوء ، والحفاظ على ثبات حزمة الجسيمات والتحرك على طول المسار الدقيق يتطلب مجالًا مغناطيسيًا ذا قوة هائلة ، أكثر من 100000 مرة من المجال المغناطيسي للأرض. وهذا يتطلب كمية هائلة من الطاقة ، من النوع الذي يمكن أن توفره الملفات فائقة التوصيل.

مستقبل الموصلية الفائقة

هناك الكثير الذي لا نعرفه عن المواد فائقة التوصيل ، ونعمل على تطوير تطبيقات جديدة للموصلات الفائقة كل يوم.

الأمل هو في يوم من الأيام استخدام الموصلية الفائقة في عمليات نقل الطاقة ، والتي من شأنها أن تقلل بشكل كبير من تكاليف الطاقة في جميع أنحاء العالم. قد تكون قطارات ماج ليف ، التي تستخدم الموصلية الفائقة لتحليق عربة القطار فوق السكة ، وبالتالي القضاء على الاحتكاك الذي قد يبطئ القطار ، مستقبل النقل.

من تعرف؟ ربما في يوم من الأيام سيكون لدينا إلكترونيات تستخدم الموصلات الفائقة لتزويدنا بالهواتف الذكية التي نحتاج إلى شحنها مرة واحدة في الشهر أو أكثر.

لا أحد يخمن ، ولكن مع التقدم السريع في تقنيتنا ، سنرى على الأرجح الموصلية الفائقة في حياتنا كميزة عادية عاجلاً وليس آجلاً.


شاهد الفيديو: شاهد اعجوبة آثار الحضر كيف دخلت نينوى هوليوود! (ديسمبر 2021).