به دلیل رابطه مستقیمی که بین مقاومت الکتریکی یک جسم با دما وجود دارد، با کاهش دما مقاومت هم کاهش می‌یابد، بدون اینکه از بین برود، ولی در مواد ابر رسانا چنین به نظر می‌رسد که در این حالت مقاومت کاملا از بین می‌رود و مقاومت صفر حاصل می‌شود.

مقدمه

مقاومت الکتریکی تمام فلزات و آلیاژها وقتی که سرد می‌‌شوند، کاهش پیدا می‌‌کند، اما بعضی از فلزات رفتار خارق‌العاده‌ای از خود نشان می‌‌دهند، یعنی وقتی که این فلزات سرد می‌‌شوند، مقاومت الکتریکی آنها به طریق معمولی کاهش پیدا می‌‌کند، اما وقتی به چند درجه بالای صفر مطلق می‌‌رسند، ناگهان تمام نشانه‌های مقاومت الکتریکی را از دست می‌‌دهند. در این حالت که مقاومت صفر حاصل شد، اصطلاحا گفته می‌‌شود که آنها به حالت ابر رسانایی منتقل شده‌اند. انتقال به حالت ابر رسانایی با وجود ناخالص بودن فلز باز هم اتفاق می‌‌افتد.

عامل مقاومت الکتریکی

جریان الکتریکی در یک جسم رسانا توسط الکترونهای رسانش حمل می‌‌شوند که می‌‌توانند آزادانه در ماده حرکت کنند. البته الکترونها یک طبیعت موجی نیز دارند و یک الکترون را که در درون یک فلز حرکت می‌‌کند، می‌‌توان توسط یک موج تخت که در همان جهت پیش می‌‌رود، نشان داد. فلز دارای ساختار بلوری است که در آن اتمها در یک شبکه منظم بلوری قرار گرفته‌اند. از جمله خصوصیات موج تخت این است که می‌‌تواند از میان ساختار متناوب بلوری کامل ، بدون این که در جهات دیگر پراکنده شوند، عبور می‌‌کنند. بنابراین الکترون می‌‌تواند از میان شبکه بلوری ایده‌آل بدون این که اندازه حرکت الکترون جهت اولیه خود را از دست بدهد، عبور کند.

اما اگر کوچکترین نقصی در ساختمان بلور وجود داشته باشد، سبب پراکنده شدن الکترون می‌‌شود و لذا مقاومت الکتریکی حاصل می‌‌شود. دو اثر مهمی را ‌که می‌‌توانند حالت ایده‌آل شبکه بلوری را بر هم زده و مقاومت الکتریکی ایجاد کنند، به این صورت می‌‌توان بیان کرد:

در دماهای بالای صفر مطلق اتمها نوسان می‌‌کنند و از حالتهای تعادل خود اندکی جابجا می‌‌شوند. همچنین اتمهای خارجی و نقایص دیگر بلوری که بطور تصادفی توزیع شده‌اند، می‌‌توانند حالت ایده‌آل بلوری را از بین ببرند. هر دو این عوامل یعنی نوسانهای گرمایی و ناخالص بلوری الکترونهای رسانش را پراکنده نمود و سبب ایجاد مقاومت الکتریکی می‌‌شوند.

کاهش مقاومت الکتریکی با افت دما

وقتی که دما پائین آورده شود، نوسانهای حرارتی اتمها کاهش پیدا می‌‌کند و الکترونهای رسانشی کمتر پراکنده می‌‌شوند. این کاهش مقاومت تا دمایی حدود یک سوم دمای دبای ماده ، خطی می‌‌باشد. اما پائین‌تر از این دما با افت دما مقاومت با سرعت کمتری کاهش پیدا می‌‌کند. در مورد یک فلز کاملا خالص که در آن حرکت الکترونها فقط توسط نوسانات حرارتی شبکه کند می‌‌شود، وقتی دما در جهت صفر مطلق کاهش داده می‌‌شود، مقاومت ویژه باید به صفر نزدیک شود. @با وجود این مقاومت صفر را که انتظار می‌‌رود یک نمونه کاملا ایده‌آل فرضی به دست آورد، اگر بتوان آن را تا صفر مطلق سرد کرد، پدیده ابر رسانایی گفته نمی‌‌شود.

مقاومت مخصوص (ρ_0)

هیچ نمونه حقیقی از فلزات نمی‌‌تواند کاملا خالص باشد و حتما مقداری ناخالصی خواهد داشت. بنابراین الکترونها علاوه بر این که توسط نوسانات حرارتی پراکنده می‌‌شوند، توسط ناخالصی‌ها نیز پراکنده خواهند شد و این نوع پراکندگی کم و بیش همواره مستقل از دما است. در نتیجه یک مقاومت مخصوص باقیمانده (ρ_0) که حتی در پائین‌ترین درجه حرارت نیز باقی می‌‌ماند، وجود دارد. هرچه فلز ناخالصی کمتری داشته باشد، مقدار ρ_0 هم کمتر خواهد بود.

آیا در حالت ابر رسانایی مقاومت دقیقا صفر می‌‌شود؟

هیچ وقت نمی‌‌توان بطور تجربی ثابت کرد که مقاومت یک ابر رسانا واقعا صفر است، بلکه مقاومت هر نمونه‌ای ممکن است همیشه کمتر از دامنه حساسیت دستگاه‌هایی باشد که ما برای اندازه گیری از آنها استفاده می‌‌کنیم. به سادگی می‌‌توان با عبور جریان از درون یک سیستم ابر رسانا و اندازه گیری ولتاژ ثبت شده در سر آن توسط ولت‌متر حساس ، به وجود مقاومت پی برد.

یک اندازه گیری دقیق این است که جریانی را در یک حلقه ابر رسانا ایجاد کنیم. سپس مشاهده ‌کنیم که آیا پس از یک مدت طولانی کاهش در جریان بوجود می‌‌آید یا نه؟ گالوپ توانست با عدم کاهش جریان در یک حلقه بسته از سیم ابر رسانا ، نشان دهد که مقاومت مخصوص ابر رسانا کمتر از 10^-26 اهم- متر@ است. بنابراین به نظر می‌‌رسد که تلقی مقاومت صفر برای یک فلز ابر رسانا امری منطقی است.

مباحث مرتبط با عنوان

• ابر رسانا
• جریان الکتریکی
• جسم رسانا
• دمای دبای
• صفر مطلق
• مقاومت الکتریکی
• مقاومت ویژه
• نظریه لندن