| در دماهای پایین پدیده حیرت آوری دیده میشود، با شروع از دمای بحرانی معینی مقاومت الکتریکی بسیاری از فلزات ناگهان به صفر افت میکند، این پدیده ابر رسانایی نامیده میشود. |
|
دمای بحرانی
آن چنان دمایی است که از آن
دما به پایین فلزات مقاومتی از خود نشان نمیدهند و از نظر الکتریکی تغییر حالت اساسی مییابند.
مشخصات پدیده ابر رسانایی
دمای بحرانی که در آن ابر رسانایی مشاهده میشود، برای فلزات مختلف متفاوت است. ولی برای همه آنها نزدیک
صفر مطلق است، مثلاً این دما برای
سرب 7.3 درجه کلوین ، یعنی تقریباً 266 - درجه سانتیگراد و برای جیوه 4.12 درجه کلوین ، معادل 269 - درجه سانتیگراد است.
توجیه مقاومت صفر فلزات با جریان الکتریکی
برای اینکه جریان در فلزات معمولی یعنی با وجود مقاومت برقرار شود،
الکترونها باید بطور دائم تحت تأثیر
نیروی الکتریکی یا خارجی معینی قرار میگیرند. تا به رغم
نیروی محرکه الکتریکی القایی (نیروی محرکه الکتروموتوری emf) ایجاد میشود. پس شرط لازم برای برقراری
جریان الکتریکی در مداری از رساناهایی که مقاومت دارند وجود نیروی محرکه الکتریکی در مدار است. به محضی که اثر نیروی محرکه الکتریکی قطع شود، جریان داخل مدار الکتریکی نیز تقریباً همزمان با آن متوقف میشود.
توجیه مقاومت صفر فلزات با القای الکترومغناطیسی
فرض کنید که حلقه سیمی در
میدان مغناطیسی قرار دارد. وقتی که میدان مغناطیسی را قطع کنیم، مثلا با دور کردن سریع
مغناطیس جریانی در حلقه القا می شود. ولی این جریان فقط برای زمان کوتاهی وجود دارد. زیرا
emf القا شده فقط در لحظهای که میدان مغناطیسی را قطع میکنیم اثر میکند و با ناپدید شدن در رسانای دارای مقاومت ، جریان متوقف میشود.
سیستم ابر رسانا
اگر آزمایشات اخیر را با
مواد ابر رسانا که مقاومتش صفر است انجام دهیم، درآن نیروهایی که مانع حرکت الکترونها باشند، وجود ندارند. بنابراین برای نگهداری جریان در آن به
میدان الکتریکی احتیاجی نیست و از اینرو به ادامه برقراری
اختلاف پتاسیل الکتریکی بین دو انتهای هر قطعه از ابر رسانا نیز نیاز نیست. بنابراین چشمه
emf غیر ضروری است. جریانی که در ابر رسانا القا شود، میتواند پس از اثر برای مدت زمان نامحدودی وجود داشته باشد، این پدیده در عمل نیز مشاهده شده است.
مشاهده عملی پدیده ابر رسانایی
برای مشاهده عملی پدیده ابر رسانایی آزمایشات اخیر مبنی بر تولید جریان الکتریکی القایی تکرار شد. ولی این بار حلقهای از سیم سربی ساختند و آن را تا حالت ابر رسانایی سرد کردند. آنگاه میدان مغناطیسی را حذف کرده و مدت زمان کوتاهی نیروی محرکه الکتریکی القا کردند. ولی پس از ناپدید شدن نیروی محرکه الکتریکی ، جریان الکتریکی القائی متوقف نشد و برای مدت طولانی وجود داشت.
در یکی از این آزمایشات
کامرلینگ اونس (
H. Kamerlingh Onnes) فیزیکدان هلندی مشاهده کرد که جریان القایی پس از قطع میدان مغناطیسی به مدت چهار روز وجود داشته است. طبیعی است که در تمام این مدت دمای حلقه سربی در حدود 7 درجه کلوین حفظ میشد. یعنی حلقه در حالت ابر رسانایی مانده بود،
کولینس (
T. Collins) از سال 1956 تا 1959 جریان ثابتی در حلقه ابر رسانا به مدت دو سال و نیم ملاحظه کرد.
مشابهت مکانیکی پدیده ابررسانایی
برای این پدیده جالب نیز مشابهت مکانیکی با شارش مایع در لولههای معتبر باقی ماند. شارش یک مایع معمولی با کشش ناشی از چسبناکی (اصطکاک داخلی) مایع همراه است. برای اینکه شارش مایع تداوم یابد باید بین دو انتهای هر قطعهای از جریان افت فشار لازم برقرار شود و از اینرو دستگاه باید شامل یک چشمه نیروی محرکه آب (پمپ) باشد. نیروهایی که از این افت پتاسیل ناشی میشوند به رغم مخالفت
نیروی اصطکاک ، شارش را حفظ میکنند. با وجود این اگر از مایعی استفاده کنیم که چسبناکی آن در عمل صفر باشد، دیگر برای شارش این مایع به افت فشار و در نتیجه نیروی محرکه آب نیاز نیست. اگر این مایع ناچسبناک را در لوله دایروی با تکان سریع به حرکت اندازیم، مایع با وجودی که فشار در تمام نقاط لوله یکسان است، مدت نامحدودی در لوله شارش خواهد داشت.
این امر به سهولت قابل توضیح است، زیرا اگر اصطکاکی نباشد جهت تداوم حرکت یکنواخت به هیچ نیروی خارجی احتیاج نخواهد بود. پس شارش مایع ناچسبناک مشابه جریان الکتریکی در ابر رساناها است، در عمل چنین مایعی را بدست آوردهاند.
کاپیتزا (
P. L. Kapittza) مشاهده کرد که
هلیوم مایع که تا زیر 2.12 درجه کلوین یعنی 271 - درجه سانتیگراد سرد شده باشد، دارای چسبناکی بسیار ناچیزی است. در قیاس با فلزات ابر رسانا به هلیوم در این حالت
هلیوم ابر شاره گفته میشود.
مباحث مرتبط با عنوان
