دانلود تحقیق ابرسانا

اگردمای فلزات مختلف را تا دمای معینی(دمای بحرانی) پایین اوریم پدیده شگرفی در انها اتفاق می افتد که طی ان به ناگهان مقاومتشان را در برابرعبور جریان برق تا حد صفراز دست خواهند داد .وتبدیل به ابررسانا خواهند شد.(البته موادی مانند نقره نیز هستند که مقاومت ویژه شان حتی در دمای صفر درجه کلوین نیز صفر نمی شود).هرچند در این دما میتوان بسیاری از مواد را ابر رسانا نمود محققا ن برای رسیدن به چنین دمایی مجبورند از هلیم مایع ویا هیدرژن استفاده کنند که بسیار گرانند .

امروزه ابر رسانایی را در موادی ایجاد می کنند که دمای بحرانیشان زیادتر از ۷۷ درجه کلوین است که برای رسیدن به چنین دمایی از ازت مایع استفاده می کنند که نقطه جوشش ۷۷ درجه کلوین است.
ریشه لغوی
ابر رسانا به معنی فوق رسانا می‌باشد و در واقع می‌توان گفت که این واژه در مورد رسانایی فوقالعاده قوی بکار می‌رود و اجسامی را که دارای این خاصیت باشند، اجسام ابر رسانا گویند.

ابر رسانایی
رسانایى خاصیتى از مواد است که باعث انتقال انرژى الکتریکى در آنها مى شود.

این خاصیت در مواد مختلف، یکسان نیست.

طلا و نقره رسانا هاى خیلى خوبى هستند در حالى که شیشه یا پلاستیک اصلاً رسانا نیستند.

مانعى در برابر رسانش الکتریکى است که مقاومت نامیده مى شود.

تغییرات جزیى ترمودینامیکى و الکترو مغناطیسى، روى آن تاثیر مى گذارد.بشر همواره مى خواسته که راه هاى تولید انرژى را ارزان تر کند و یکى از بهترین گزینه ها براى کم کردن هزینه کشف موادى است که مقاومت کمترى دارند.

اما در بعضى از مواد وقتى که به یک دماى خاص برسیم، تغییرى در حالت ماده به وجود مى آید که به آن ابررسانایى مى گویند.

در این حالت مقاومت الکتریکى از بین مى رود به طورى که جریانى که در یک حلقه ابررسانا تولید مى شود تا صد هزار سال بدون تغییر باقى مى ماند!
پژوهش برای بررسی تغییر مقاومت الکتریکی اجسام در دماهای پائین برای نخستین بار توسط دانشمند اسکاتلندی جیمز دئِور در اواسط قرن نوزدهم آغاز شد.

در سال 1864، دو دانشمند لهستانی به نامهای زیگموند روبلوفسکی و کارل اولزفسکی که روشی برای برای مایع ساختن اکسیژن و نیتروژن، یافته بودند، به بررسی خواص فیزیکی عناصر و ازجمله مقاومت الکتریکی در دماهای خیلی کم ادامه دادند و پیش‌بینی نمودند مقاومت الکتریکی در دماهای کم به شدت کاهش می‌یابد.

روبلوفسکی و اولزفسکی نتایج فعالیت خود را در سال 1880 منتشر ساختند.

بعد از آن دِئور و فلمینگ نیز پیش‌بینی ‌خود را مبنی بر الکترومغناطیس شدن کامل فلزات خالص در دمای صفر مطلق بیان داشتند.

البته دئور بعدها تئوری خود را اصلاح و اعلام داشت مقاومت اینگونه فلزات در دمای مورد اشاره به صفر نمی‌رسد اما مقدار بسیار کمی خواهد بود.

والتر نرست نیز با بیان قانون سوم ترمودینامیک بیان داشت که صفر مطلق دست‌نیافتنی است.

کارل لیند و ویلیام همپسون آلمانی در همین زمانها روش خنک‌سازی و مایع ساختن گازها با افزایش فشار را به ثبت رساندند.

در سال 1900، نیکلا تسلا که با سیستم خنک‌سازی لیند کار می‌کرد، پدیده تقویت سیگنالهای الکتریکی را با سرد شدن اجسام که درنتیجه کاهش مقاومت آنها بود، مشاهده و به ثبت رساند.

سرانجام خاصیت ابررسانایی توسط پروفسور هلندی، کمرلینک اونز، در سال 1911 و زمانی‌که وی سرگرم آزمایش تئوری دئور بود، در دانشگاه لیدن مشاهده شد.

اونز دریافت که اگر جیوه در هلیم مایع یعنی حدود 2/4 درجه کلوین قرار گیرد، مقاومت الکتریکی آن از بین می‌رود.

سپس یک حلقه سربی را در دمای 7 درجه کلوین ابررسانا نمود و قوانین فارادی را بر روی آن آزمایش کرد و مشاهده نمود وقتی با تغییر شار در حلقه جریان القایی تولید شود، حلقه سربی بر عکس رساناهای دیگر رفتار می‌نماید.

یعنی بعد از قطع میدان تا زمانی‌که در حالت ابر رسانایی قرار دارد، جریان الکتریکی را تا مدت زیادی حفظ می‌کند.

به عبارت دیگر بعد از به وجود آمدن جریان الکتریکی ناشی از میدان مغناطیسی در یک سیم ابررسانا، سیم حتی بدون میدان خارجی یا مولد الکتریکی نیز می‌تواند حامل جریان باشد.

اونز این رخداد را در آزمایشگاه دانشگاه لیدن با ایجاد جریان ابررسانایی در یک سیم‌پیچ و سپس حمل سیم‌پیچ همراه با سرد کننده‌ای که آن را سرد نگه می‌داشت به دانشگاه کمبریج به عموم نشان داد.

یافته اونز منجر به اعطای جایزه نوبل فیزیک در سال 1913 به وی شد.

اونز همچنین متوجه شد برای هر یک از مواد ابررسانا، دمایی به نام دمای بحرانی وجود دارد که وقتی ماده از این دما سردتر شود، جسم ابررسانا می‌گردد و در دماهای بالاتر از این دما، جسم دارای مقاومت الکتریکی است.

دمای بحرانی عناصر مختلف متفاوت است.

مثلا دمای بحرانی جیوه حدود 5 درجه کلوین، سرب 9 درجه کلوین و نیوبیوم 2/9 درجه کلوین می‌باشد و برای بعضی آلیاژها و ترکیبات مانند Nb3Sn و Nb3Ge دمای بحرانی به 18 و 23 درجه کلوین نیز می‌رسد.

البته فلزات رسانایی مانند طلا، نقره و حتی مس نیز هستند که تلاش برای رساندن مقاومت ویژه‌شان به صفر بی نتیجه مانده است و مشخص نیست اگر به صفر مطلق برسند مقاومت آنها چقدر خواهد بود.

رسانیدن دمای ابررساناهای متعارف به این دما نیازمند وجود هلیم مایع می‌باشد که بسیار پرهزینه، خطرناک و مشکل است.

لذا از همان ابتدا تلاش برای تولید ابررساناهایی با دمای بحرانی بالاتر شروع شد و محققان در تلاشند مواد ابررسانایی با دمای بحرانی بالاتر پیدا کنند.

از کشف ابررسانایی در سال 1911 تاکنون، هیچ نظریه فیزیکی جامعی نتوانسته است به بیان دقیق علت خاصیت ابررسانایی بپردازد.

در سال 1957 سه فیزیکدان آمریکایی به نام‌های باردین، کوپر و شریفر در دانشگاه ایلی‌نویز نظریه‌ای برای توجیه پدیده ابررسانایی در ابررساناهای متعارف ارائه دادند که با نام آنها به نظریه BCS معروف گردید.

براساس این نظریه در ابررساناهای معمولی، الکترونهایی که در رسانایی جریان نقش دارند، جفت‌هایی تشکیل می‌دهند و متقابلاً با عواملی که باعث مقاومت الکتریکی می‌شوند، مقابله می‌کنند.

ابداع تئوری BCS نیز برای سه دانشمند آمریکایی جایزه توبل 1972 را به ارمغان آورد.

این‌که 46 سال طول کشید تا توجیهی برای پدیده ابررسانایی یافت شود، دلایلی داشت.

دلیل اول این‌که جامعه فیزیک تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه راه حل مسئله را که تئوری کوانتوم فلزات معمولی بود نداشت.

دوم این‌که تا سال1934 هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد.

سوم اینکه وقتی مبانی علمی لازم بدست آمد، به زودی مشخص شد انرژی مشخصه وابسته به تشکیل ابررسانایی بسیار کوچک یعنی حدود یک ملیونیم انرژی الکتریکی مشخصه حالت عادی است.

بنابراین نظریه پردازان توجه‌شان را به توسعه یک تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب کردند.

این مسیر توسط فریتز لاندن رهبری می‌شد.

وی در سال 1953 به نکته زیر اشاره کرد:‌ ابررسانایی پدیده‌ای کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی است و با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریک شده بوسیله وقفه های زمانی رخ می‌دهد.

به علاوه وی بیان داشت که دیامغناطیس شدن ابررساناها یک مشخصه بنیادی است.

تئوری BCS در توضیح و تفسیر رویدادهای ابررسانایی موجود و هم چنین در پیشگویی رویدادهای جدید نسبتاً موفق بود.

در ژوئیه 1959، در اولین کنفرانس بزرگی که بعد از ارائه ی نظریه ی BCS با موضوع با ابررسانایی در دانشگاه کمبریج برگزار شد، دیوید شوئنبرگ کنفرانس را با این جمله آغاز کرد: «حالا باید ببینیم تا چه حد مشاهدات با حقایق نظری جور در می‌آیند …؟»
از کشف ابررسانایی در سال 1911 تاکنون، هیچ نظریه فیزیکی جامعی نتوانسته است به بیان دقیق علت خاصیت ابررسانایی بپردازد.

وی در سال 1953 به نکته زیر اشاره کرد:‌ "ابررسانایی پدیده‌ای کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی است و با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریک شده بوسیله وقفه های زمانی رخ می‌دهد." به علاوه وی بیان داشت که دیامغناطیس شدن ابررساناها یک مشخصه بنیادی است.

در ژوئیه 1959، در اولین کنفرانس بزرگی که بعد از ارائه ی نظریه ی BCS با موضوع با ابررسانایی در دانشگاه کمبریج برگزار شد، دیوید شوئنبرگ کنفرانس را با این جمله آغاز کرد: «حالا باید ببینیم تا چه حد مشاهدات با حقایق نظری جور در می‌آیند …؟» کمی بعد از انتشار نتایج اولیه تئوری BCS ، در تابستان سال 1957 سه دانشمند دانمارکی به نامهای آگ بور، بن موتلسون و دیوید پاینز، در کپنهاگ نشان دادند که نوترونها و پروتونهای موجود در هسته اتم به خاطر جذب دوسویه شان جفت می‌شوند و بدینوسیله توانستند معمای قدیمی پدیده هسته‌ای را توجیه نمایند.

در همین زمان یوشیرو نامبو نیز در شیکاگو دریافت که ترتیب جفت شدن BCS برای پدیده‌های انرژی بالا در فیزیک ذرات ابتدائی نیز صحت دارد.

باید گفت در اثر ارائه تئوری BCS بود که پژوهشگران فلزات ابررسانی جدیدی را معرفی کردند و مشتاقانه به دنبال موادی گشتند که در دماهای نسبتاً بالاتر از 20 کلوین ابررسانا می‌شوند.

بعد از ارائه تئوری BCS، دو آلیاژ جدید نیز معرفی شدند.

یکی مواد الکترون سنگین مانندCeCu2Si2، UPt3 و UBe13 که به عنوان ابررساناهایی در دماهای حدود یک کلوین توسط فرانک استگلیش در آلمان و زاچاری فیسک، جیم اسمیت و هانس اوت در آمریکا شناخته شدند و دیگری فلزات آلی تقریبا دو بعدی با دمای بحرانی حدود ده درجه کلوین که در پاریس توسط دانیل ژرومه کشف شد.

با وجود تلاش‌های زیاد بند ماتیوس که حدود صد ماده ابررسانا را کشف کرد، هنوز حد بالایی برای دمای مواد ابررسانا وجود داشت.

دمایی که از مکانیسم به کار رفته برای ابررسانایی یعنی تعامل فونون القائی ناشی می‌شد.

چنانکه نور کوانتومی را فوتون می‌نامند، اصوات کوانتومی را نیز فونون نامیده‌اند.

در سال 1962 جوزفسون انگلیسی در 22 سالگی آزمایشاتی روی جفت الکترونهای کوپر انجام داد که منجر به مشاهده و اعلام پدیده‌ای شد که خاصیت تونل‌زنی یا اثر جوزفسون نام گرفت.

بر اساس اثر جوزفسون، درصورتیکه دو قطعه ابررسانا توسط یک عایق بسیار نازک (حدود یک نانومتر) به یکدیگر متصل شوند، جفت الکترونهای کوپر می‌توانند از عایق عبور نمایند.

مقدار جریان الکتریکی ایجاد شده به ولتاژ اتصال و میدان مغناطیسی وابسته است.

ارائه تئوری مزبور برای جوزفسون و دو دانشمند دیگر یعنی لئو ایزاکی و ایوار گیاور که فعالیتهای مشابهی در بررسی پدیده تونل زنی داشتند جایزه نوبل 1973 را به ارمغان آورد.

حدود 70 سال پیشرفتهای انجام شده برای افزایش دمای بحرانی به کندی انجام گرفت.

از سال 1911 تا سال 1973 یعنی حدود 62 سال دانشمندان تنها توانستند دمای بحرانی را از 4 درجه به 3/23 درجه کلوین که کمی بیشتر 3/20 کلوین یعنی دمای ئیدروژن مایع است برسانند اما کار با ئیدروژن مایع نیز پرهزینه، مشکل‌آفرین و خطرساز بود و کاربردهای ابررسانا را محدود می‌ساخت.

در سالهای بعد علاوه بر فلزات و آلیاژهای فلزی، فعالیتهایی در زمینه ترکیبات نیمه‌فلزی توسط برخی دانشمندان آغاز شد اما هنوز ماده‌ای دیگری به جز فلزات و آلیاژها یافته نشده بود که بتواند در دماهای مورد انتظار ابررسانا باشد.

سرانجام در 27 ژانویه سال 1986 جرج بدنورز و آلکس مولر در مؤسسه تحقیقاتی IBM شهر زوریخ سوئیس موفق به کشف پدیده ابررسانایی در سرامیکی از نوع اکسید مس و شامل لانتانوم و باریوم شدند.

دمای بحرانی نمونه ساخته شده، حدود 35 درجه کلوین بود و آنها نیز به خاطر کشف ابررساناهای دمابالا (HTS) موفق به دریافت جایزه نوبل در سال 1987 شدند.

طی مدت زمان کوتاهی پس از کشف ابررسانایی دما بالا، دسترسی به دماهای بحرانی بالاتر به سرعت توسعه یافت.

یک ماه بعد از کشف بدنورز و مولر، تاناکا و همکاران وی در توکیو نتایج آنها را تأیید نمودند و نتایج فعالیت آنها در یکی از نشریات ژاپنی به چاپ رسید.

اندکی بعد از کشف اکسید مس حاوی باریوم و لانتانوم، در نتیجه همکاری پاول چو از دانشگاه هوستون و مانگ کنگ وو از دانشگاه آلاباما، عضو جدیدی از خانواده مواد ابررساناهای دما بالا با جایگزینی ایتریوم Y به جای لانتانوم کشف شد.

این ماده سرامیکی که دمای بحرانی آن به 92 درجه کلوین می‌رسید، به YBCO معروف شد.

با توجه به نقطه جوش نیتروژن که 77 درجه کلوین در فشار یک اتمسفر است، برای سرد شدن این ابررسانا تا دمای بحرانی استفاده از نیتروژن مایع هم امکانپذیر بود که بسیار ارزان‌تر و بی‌خطرتر از ئیدروژن و هلیم مایع بود.

بنابراین فقط در طی یک سال از کشف اصلی، دمای انتقال به حالت ابررسانایی افزایش سه برابر داشت و واضح بود که انقلاب ابررساناها شروع شده است.

برای پاسداشت تحول مهمی که در علم فیزیک واقع شده بود، توسط انجمن فیزیکدانان آمریکایی در بعدازظهر یکی از روزهای مارس 1987 جشنی هم در نیویورک برگزار شد.

این جشن 3000 شرکت کننده داشت و حدود 3000 نفر نیز این جشن را از طریق تلویزیون مدار بسته در خارج از محل اصلی تماشا کردند.

در طول شش سال بعد، چند خانواده دیگر از ابررساناها کشف شدند که شامل ترکیبات شامل تولیوم (Tl) و جیوه (Hg) بوده و دارای حداکثر دمای بحرانی بیشتر از 120 درجه کلوین بودند.

بالاترین مقدار تأیید شده دمای بحرانی در فشار معمولی یک اتمسفر، 135 درجه کلوین و متعلق به HgBa2Ca2Cu3O8 می‌باشد.

به صورت تجربی معلوم شده