بسم الله الرّحمن الرّحیمImage result for ‫ابر رسانا‬‎

تحقیق کلاس فیزیک گروه 5 کلاس دوم / ب – کاری از آقایان : عظیمی – مقاره – متولّی

موضوع : ابر رسانا ها

چکیده ی مطلب : با سلام گروه ما در این تحقیق می خواهد تا در موضوع ابر رسانا ها در نه حیطه و موضوع صحبت کند:

1- ریشه لغوی -2- تاریخچه-3-انواع که شامل دو دسته است -4- دمای گذار به ابر رسانایی -5- مفهوم مقاومت صفر-6- رفتار

مغناطیسی ویژه ی یک ابر رسانا-7- نفوذ پذیری و پذیر رفتاری یک ابر رسانا-8- خاصیّت منحصر به فرد ابر رسانا-9- کاربرد

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.

تاریخچه

اولین بار در سال 1908 وقتی که کمرلینگ اونز در دانشگاه لیون موفق به تولید هلیوم مایعگردید، دمایی که در آن اجسام به ابررسانا تبدیل می‌شوند، حاصل شد. چند سال قبل از او معلوم شده بود که مقاومت فلزّات وقتی که دمای آنها به پایینتر از دمای اتاق برسد، کاهش پیدا می‌کند. اما معلوم نبود که اگر درجه حرارت تا حدود کلوین تنزل پیدا کند، مقاومت تا چه حد کاهش پیدا خواهد کرد.

اونز که با پلاتنیم کار می‌کرد متوجه شد که مقاومت نمونه وقتی که سرد می‌شود تا یک مقدار کم کاهش پیدا می‌کرد که این کاهش به درجه خلوص نمونه بستگی داشت. در آن زمان خالصترین فلز قابل دسترس جیوه بود. اونز دریافت که پایینتر از 4 درجه کلوین جیوه به یک حالت دیگری از خواص الکتریکی که کاملا با حالت شناخته شده قبلی متفاوت بود، رفته است و این حالت تازه حالت ابر رسانایی نام دارد.

بعدها کشف شد که ابر رسایی را می‌توان از بین برد ( یعنی می‌توان مقاومت الکتریکی را مجددا باز گردانید) و در نتیجه معلوم شد که اگر یک میدان مغناطیسیقوی به فلز اعمال شود، این فلز در حالت ابر رسانایی دارای خواص مغناطیسی بسیار متفاوتی با حالت درجه حرارتهای معمولی می‌باشد. تا کنون مشخص شده است که نصف عناصر فلزی و همچنین چندین آلیاژ در درجه حرارتهای پایین ابر رسانا می‌شوند.

تصویر

 

انواع ابر رسانا

  • ابر رسانای نوع اول: اغلب عناصری که ابر رسانا هستند ابر رسانایی از نوع اول را از خود نشان می‌دهند.
  • ابر رسانای نوع دوم: آلیاژها عموما ابر رسانای نوع دوم هستند.این دو نوع ابر رسانا چندین خاصیت مشابه دارند اما رفتار مغناطیسی بسیار متفاوتی از خود بروز می‌دهند. به واسطه این تفاوتها میتوان این دو نوع را از هم تشخیص داد. در عکس زیر تصویری از مقایسیه ی رسانش در عادی و ابر رسانایی را می بینید.Image result for ‫ابر رسانا‬‎

دمای گذار به ابر رسانایی

دمایی که یک ابر رسانا در آن دما مقاومت خودش را از دست می‌دهد، دمای گذار یا دمای بحران ابر رسانا نامیده می‌شود. هر چند ناخالصیهای مغناطیسی دمای گذار TC را پایین می‌اورند، ولی در حالت کلی دمای گذار TC به مقادیر کم ناخالص زیاد حساس نیست. البته تحقیقات در درجات حرارت پایینتر ممکن است ابر رساناهای جدیدی را بشناساند، اما دلیل اساسی برای این که تمام فلزات حتی در صفر مطلقباید خاصیت ابر رسانایی از خود نشان دهند وجود ندارد. با وجود این باید توجه کرد که ابر رسانایی پدیده نادری نیست. حدودا نصف عناصر فلزی ، معلوم شده است ابر رسانا هستند و به علاوه تعداد زیادی از آلیاژها نیز ابر رسانا می‌باشند.

ممکن است یک آلیاژ حتی اگر از دو فلزی که هیچکدام خود نشان ابر رسانا نیستند تشکیل شده باشد، ابر رسانا باشد. ابر رسانایی ممکن است توسط هادیهایی که فلز به مفهوم عادی نیستند نیز نشان داده شود. برای مثال مخلوط نیمه هادی اکسیدهای با سیم و سرب و بیسموت یک ابر رسانا می‌باشد و همچنین پلمیر پلیسولنور نیتروژن شیمیایی NX در حدود 0.3 درجه کلوین ابر رسانا شده است.Image result for ‫ابر رسانا‬‎دمای گذار موادّ مختلف بر حسب کلوینImage result for ‫ابر رسانا‬‎عکسی در مورد دمای بحران جیوه

مفهوم مقاومت صفر

مفهوم این که یک فلز ابر رسانا دارای هیچ نوع مقاومتی نیست، در حقیقت به این معنی است که موقعی که جریان از آن عبور کند ولتاژی در دو سر فلز مشاهده نمی‌شود و هیچگونه انرژی از عبور جریان تولید نمی‌شود. این مطلب البته در مورد جریان مستقیم با مقدار ثابت صحیح است. اگر جریان تغییر کند یک میدان الکتریکی تشکیل شده و تعدادی توان تلف می‌شود. برای دانستن دلیل این امر باید رفتار الکترونهای هدایت را در ابر رساناها مورد مطالعه قرار دهیم.

رفتار مغناطیسی ویژه یک ابر رسانا

  • اثر مایسنر:
    در سال 1933 مایسنر و اوشن فلر دو دانشمند آلمانی توزیع شار مغناطیسی را در خارج از فلزات قلع و سرب که در یک میدان مغناطیسی تا دمای گذار سرد شد بود اندازه‌ گیری کردند. آنها دریافتند که نمونه‌های مورد آزمایش با وجودی که در میدان مغناطیسی سرد شده بودند در دمای گذارشان بطور آنی به یک دیا مغناطیس کامل تبدیل شده و منقار داخلی حذف می‌شود.

نفوذ پذیری و پذیرفتاری یک ابر رسانا

ابر رسانا یک دیا مغناطیس کامل است و دلیلش این است که شار مغناطیسی تولید شده توسط جریانهای سطحی در همه جا در داخل ، منقار میدان مغناطیسی اعمال شده خارجی را دقیقا خنثی می‌کند.

خاصیت منحصر به فرد ابر رسانا

ابر رساناها دو خاصیت منحصر بفرد از خود بروز می‌دهند. این در خاصیت همان رسانندگی کامل و خاصیت دیا مغناطیس کامل ابر رساناها می‌باشد. رسانندگی آنها ، همانطور که آزمایشهای اصلی اونس و آزمایشهای بعدی نشان دادند، اساسا بینهایت است. همچنین آنها شار مغناطیسی را بطور کامل طرد می‌کنند. به شرط اینکه میدان مغناطیسی در روی سطح ابر رسانا در هیچ جا از میدان بحرانی بیشتر نباشد. این خواص از این لحاظ که هیچکدام از دیگری نتیجه نمی‌شوند مستقل در یکدیگرند. ولی هر دو باید از نظریه‌های رضایت بخش ابر رسانایی نتیجه شوند، که می‌شوند.

کاربرد

کاربرد ابررسانا

کاربرد ابر رسانا ها در مسائل مختلف چشم گیر است و نتوّع بسیار در رشته های بسیار را به همراه دارد.

● کاربرد ابررسانا در سیم و کابل
کشف متحول کننده ابررساناهای دما بالا در سال ۱۹۸۶ منجر به تحول و تولید نوع جدیدی از کابلها در سیستمهای قدرت شد. در ایالات متحده، اروپا و ژاپن رقابت سختی بر روی تجارت تولید آینده کابلهای ابررسانائی وجود دارد. قابلیت هدایت جریان برق در کابلهای HTSبالغ بر ۱۰۰ بار بیشتر از هادیهای آلومینیومی و مسی متداول می‌باشد. اندازه، وزن و مقاومت این نوع کابلها از کابلهای معمولی بهتر بوده و امروزه تولیدکنندگان تجهیزات الکتریکی در سراسر دنیا سعی دارند با استفاده از تکنولوژی HTS باعث کاهش هزینه‌ها و افزایش ظرفیت و قابلیت اطمینان سیستمهای قدرت شوند.
● کاربرد ابررسانا در ترانسفورماتورها
استفاده از مواد ابررسانا در سیم‌بندی ترانسفورماتورها باعث ۵۰% کاهش در تلفات، وزن و ابعاد ترانسفورماتور نسبت به انواع متداول ترانسفورماتورهای روغنی شده و به علاوه تأثیر قابل توجهی نیز در افزایش بازده، کاهش افت ولتاژ و افزایش ظرفیت اضافه بار ترانسفورماتور دارد. استفاده از ترانسفورماتورهای ابررسانا با توجه به حجم کم و عدم استفاده از روغن برای خنک‌سازی، نقش قابل ملاحظه‌ای در بهبود فضای شهری و کاهش هزینه‌های زیست محیطی خواهد داشت.
● کاربرد ابررسانا در موتورها و ژنراتورها
درصورت استفاده از سیمهای ابررسانا به جای سیمهای مسی در روتور ماشینهای القایی، تلفات، حجم، وزن و قیمت آنها کاهش قابل ملاحظه‌ای خواهد داشت و با افزایش بازده، صرفه‌جویی قابل توجهی در انرژی الکتریکی صورت می‌گیرد. کویل ژنراتورهای سنکرون نیز با مواد ابررسانای سرامیکی قابل ساخت می‌باشد که منجر به افزایش قابل توجهی در بازده ژنراتور خواهد شد. به علاوه تکنولوژی ابررسانا امروزه در ساخت کندانسورهای سنکرون نیز کاربرد دارد. کندانسورهای ابررسانا دارای بازده بیشتر، هزینه نگهداری کمتر و قابلیت انعطاف بهتری هستند.
● کاربرد ابررسانا در ذخیره سازهای مغناطیسی
در سیستم قدرت بین قدرتهای الکتریکی تولیدی و مصرفی تعادل لحظه‌ای برقرار است و هیچگونه ذخیره انرژی در آن صورت نمی‌گیرد. بنابراین تولید شبکه ناچار به تبعیت از منحنی مصرف است که غیر اقتصادی می‌باشد. ابرسانای ذخیره کننده انرژی مغناطیسی (SMES) وسیله‌ای است که برای ذخیره کردن انرژی، بهبود پایداری سیستم قدرت و کم کردن نوسانات قابل استفاده می‌باشد. این انرژی توسط میدان مغناطیسی که توسط جریان مستقیم ایجاد می‌شود ذخیره می‌شود. ابرسانای ذخیره کننده انرژی مغناطیسی هزاران بار قابلیت شارژ و دشارژ دارد بدون اینکه تغییری در خواص مغناطیس آن ایجاد شود. ویژگی ابر رسانایی سیم پیچ نیز موجب می‌شود که راندمان رفت و برگشت فرایند ذخیره انرژی بسیار بالا و در حدود ۹۵% باشد.
اولین نظریه‌ها در مورد این سیستم در سال ۱۹۶۹ توسط فریه مطرح شد. وی طرح ساخت سیم‌پیچ مارپیچی بزرگی را که توانایی ذخیره انرژی روزانه برای تمامی فرانسه را داشت ارائه کرد که به خاطر هزینه ساخت بسیار زیاد آن پیگیری نشد. در سال ۱۹۷۱ تحقیقات در آمریکا در دانشگاه ویسکانسین برای فهمیدن بحثهای بنیادی اثر متقابل بین انرژی ذخیره شده و سیستم‌های چند فاز به ساخت اولین دستگاه انجامید. شرکت هیتاچی در سال ۱۹۸۶ یک دستگاه SMES به ظرفیت ۵ مگاژول را آزمایش کرد. در سال ۱۹۹۸ نیز ذخیره‌ساز ۳۶۰ مگاژول توسط شرکت ایستک در ژاپن ساخته شد. علاوه بر ذخیره‌سازی انرژی به منظور تراز منحنی مصرف و افزایش ضریب بار، سیستم‌های مورد اشاره با اهداف دیگری نیز مورد توجه قرار گرفته‌اند.
بروز اغتشاشهای مختلف در شبکه قدرت از جمله تغییرات ناگهانی بار، قطع و وصل خطوط انتقال و … به عدم تعادل سیستم می‌انجامد. در این شرایط انرژی جنبشی محور ژنراتورهای سنکرون مجبور به تأمین افزایش انرژی ناشی از اختلال هستند و درصورت حفظ پایداری دینامیکی، حلقه‌های کنترل سیستم فعال شده و تعادل را برقرار می‌سازند. این روند، نوسان متغیرهای مختلف مانند فرکانس، توان الکتریکی روی خطوط و… را موجب می‌شود که مشکلات مختلفی را در بهره برداری از سیستم قدرت به دنبال دارد. اما اگر در سیستم مقداری انرژی ذخیره شده باشد، با مبادله سریع آن با شبکه در مواقع مورد نیاز می‌توان مشکلات فوق را کاهش داد. با توجه به اینکه در این سیستم انرژی از صورت الکتریکی به صورت مغناطیسی و یا بر عکس تبدیل می‌شود، ذخیره‌ساز ابررسانایی دارای پاسخ دینامیکی سریع می‌باشد و بنابراین می‌تواند در جهت بهبود عملکرد دینامیکی نیز به کار رود.
معمولاً واحدهای ابررسانایی ذخیره انرژی را در دو مقیاس ظرفیت بالا یعنی حدود ۱۸۰۰ مگاژول برای تراز منحنی مصرف، و ظرفیت پایین (چندین مگا ژول) به منظور افزایش میرایی نوسانات و بهبود پایداری سیستم می‌سازند. سیم پیچ ابررسانا از طریق مبدل به سیستم قدرت متصل و شارژ می‌شود و با کنترل زاویه آتش تریسیتورها ولتاژ DC دو سر سیم پیچ ابررسانا به طور پیوسته در بازهٔ وسیعی از مقادیر ولتاژهای مثبت ومنفی قابل کنترل است. ورودی ذخیره‌ساز انرژی می‌تواند تغییرات ولتاژ شبکه، تغییر فرکانس شبکه، تغییر سرعت ماشین سنکرون و… باشد و خروجی نیز توان دریافتی خواهد بود. مهم ترین قابلیت SMESجداسازی و استقلال تولید از مصرف است که این امر مزایای متعددی از قبیل بهره برداری اقتصادی، بهبود عملکرد دینامیکی و کاهش آلودگی را به دنبال دارد. در کابرد AC جریان الکتریکی هنوز تلفات دارد اما این تلفات می‌تواند با طراحی مناسب کاهش پیدا کند. برای هر دوحالت کاری AC وDC انرژی زیادی قابل ذخیره‌سازی است. بهترین دمای عملکرد برای دستگاههای مورد اشاره نیز ۵۰ تا ۷۷ درجه کلوین است.
● کاربرد ابررسانا در محدودسازهای جریان خطا
علاوه بر موارد گفته شده، محدودسازهای ابررسانائی جریان خطا یا SFCL نیز رده تازه‌ای از وسایل حفاظتی سیستم قدرت را ارائه می‌کنند که قادرند شبکه را از اضافه جریانهای خطرناکی که باعث قطعی پر هزینه برق و خسارت به قطعات حساس سیستم می‌شوند حفاظت نمایند. اتصال کوتاه یکی از خطاهای مهم در سیستم قدرت است که در زمان وقوع، جریان خطا تا بیشتر از ۱۰ برابر جریان نامی افزایش می‌یابد و با رشد و گسترش شبکه‌های برق، به قدرت اتصال کوتاه شبکه نیز افزوده می‌شود. تولید جریانهای خطای بزرگتر، ازدیاد گرمای حاصله ناشی از عبور جریان القائی زیاد در ژنراتورها، ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات و همچنین کاهش قابلیت اطمینان شبکه را در پی دارد. لذا عبور چنین جریانی از شبکه احتیاج به تجهیزاتی دارد که توانایی تحمل این جریان را داشته باشند و جهت قطع این جریان نیازمند کلیدهایی با قدرت قطع بالا هستیم که هزینه‌های سنگینی به سیستم تحمیل می‌کند.
اما اگر به روشی بتوان پس از آشکارسازی خطا، جریان را محدود نمود، از نظر فنی و اقتصادی صرفه‌جویی قابل توجهی صورت می‌گیرد. انواع مختلفی از محدود کننده‌های خطا تا به حال برای شبکه‌های توزیع و انتقال معرفی شده‌اند که ساده‌ترین آنها فیوزهای معمولی است که البته پس از هر بار وقوع اتصال کوتاه باید تعویض شوند. از آنجاییکه جریان اتصال کوتاه در لحظات اولیه به خصوص در پریود اول موج جریان، دارای بیشترین دامنه است و بیشترین اثرات مخرب از همین سیکل‌های اولیه ناشی می‌شود باید محدودسازهای جریان خطا بلافاصله بعد از وقوع خطا در مدار قرار گیرند. محدودکننده‌های جریان اتصال کوتاه طراحی شده در دهه‌های اخیر، عناصری سری با تجهیزات شبکه هستند و وظیفه دارند جریان اتصال کوتاه مدار را قبل از رسیدن به مقدار حداکثر خود محدود نمایند به طوری که توسط کلیدهای قدرت موجود قابل قطع باشند.
این تجهیزات در حالت عادی، مقاومت کمی در برابر عبور جریان از خود نشان می‌دهند ولی پس از وقوع اتصال کوتاه و در لحظات اولیه شروع جریان، مقاومت آنها یکباره بزرگ شده و از بالا رفتن جریان اتصال کوتاه جلوگیری می‌کنند. این تجهیزات پس از هر بار عملکرد باید قابل بازیابی بوده و در حالت ماندگار سیستم، باعث ایجاد اضافه ولتاژ و یا تزریق هارمونیک به سیستم نگردند. محدودسازهای اولیه با استفاده از کلیدهای مکانیکی امپدانسی را در زمان خطا در مسیر جریان قرار می‌دادند. با ورود ادوات الکترونیک قدرت کلیدهای تریستوری برای این موضوع مورد استفاده قرار گرفتند و مدارهای متعددی از جمله مدارهای امپدانس تشدید و ابررسانا، ارائه گردیده است. محدودکننده‌های ابررسانا در شرایط بهره‌برداری عادی سیستم یک سیم‌پیچ با خاصیت ابررسانایی بوده (مقاومت و افت ولتاژ کمی را باعث می‌شود) ولی به محض وقوع اتصال کوتاه و افزایش جریان از یک حد معینی (جریان بحرانی) سیم‌پیچ مربوط مقاومت بالایی از خود نشان می‌دهد و به همین دلیل جریان خطا کاهش می‌یابد. عمل فوق در زمان کوتاهی انجام می‌پذیرد و نیاز به سیستم کشف خطا نمی‌باشد. برآورد اولیه بخش ابر رسانائی EPRI نشان می‌دهد که استفاده از محدودسازهای ابررسانائی جریان یک بازار فروش با درآمد حدود ۳ تا ۷ میلیارد دلار در ۱۵ سال آینده به وجود خواهد آورد.
● سوئیچهای ابررسانا
با تغییر در شدت میدان مغناطیسی، امکان تغییر در وضعیت جسم ابررسانا از ابررسانایی به مقاومتی و برعکس امکانپذیر است. بنابراین از مواد ابررسانا جهت انجام سوئیچینگ یا کلیدزنی نیز می‌توان بهره گرفت. تحقیقات اولیه در این زمینه از اواخر دهه ۱۹۵۰ میلادی آغاز شد و کوششهایی برای استفاده از سوئیچهای ابررسانا در مدارها و حافظه کامپیوترهای بزرگ صورت گرفت. باک در سال ۱۹۵۶ مداری با نام کرایوترون شامل یک سیم‌پیچ نیوبیوم با دمای بحرانی ۳/۹ درجه کلوین و هسته‌ای از سیم تانتالوم با دمای بحرانی ۴/۴ درجه کلوین معرفی نمود که با توجه دمای ۲/۴ درجه کلوین هلیوم مایع، امکان تغییر وضعیت سیم تانتالوم در اثر ایجاد جریان الکتریکی و درنتیجه میدان مغناطیسی در سیم‌پیچ نیبیوم وجود داشت. با توسعه دانش نیمه‌هادی، توجه به سوئیچهای ابررسانا کاهش یافت اما حجم و تلفات کمتر، و سرعت بالاتر تراشه‌های ابررسانا نسبت به تراشه‌های نیمه‌هادی، استفاده از سلولهای کرایوترونی و جایگزینی ابررسانا به جای مدارهای مسی را برای ساخت ابرکامپیوترهای بسیار سریع و کم تلفات، حتی با وجود پیشرفتهای صنعت نیمه‌هادی توجیه‌پذیر می‌سازد. علاوه بر سلولهای کرایوترونی که با سرعت ۱/۰ میکروثانیه در ساخت حافظه و تراشه‌های الکترونیک قابل استفاده است، از اتصالات جوزفسون که مبنای عملکرد آنها، اثر تونل‌زنی است نیز برای ساخت سوئیچهای بسیار سریع و با سرعت ۱/۰ نانوثانیه (فرکانس ۱۰ گیگاهرتز) استفاده شده اما درمورد تکنولوژی ساخت آنها به تعداد زیاد، پژوهشها ادامه دارد.
● ابررساناها و ژنراتورهای هیدرودینامیک مغناطیسی
ژنراتورهای هیدرودینامیک مغناطیسی: اصول کلی ژنراتورهای هیدرودینامیک مغناطیسی (MHD) که از سال ۱۹۵۹ پژوهشهایی برای تولید برق به وسیله آنها شروع شده و هنوز ادامه دارد، بر این اساس است که جریان گاز پلاسما (بسیار داغ) یا فلز مذاب از میان میدان مغناطیسی قوی عبور داده می‌شود. با عبور گاز داغ یا فلز مذاب، در اثر میدان مغناطیسی بسیار قوی موجود، یونهای مثبت و منفی به سمت الکترودهایی که در بالا و پایین جریان گاز پلاسما یا فاز مذاب قرار دارند، جذب می‌شوند و مانند یک ژنراتور جریان مستقیم، تولید الکتریسیته را باعث می‌شوند. قدرت الکتریکی این ژنراتور جریان مستقیم با اینورترهای الکترونیک قدرت، به برق جریان متناوب تبدیل و به شبکه متصل می‌شود. با توجه به هزینه بالای تولید الکتریسیته در ژنراتورهای MHD، استفاده از آنها تنها به منظور یکنواختی منحنی مصرف در زمانهای پرباری شبکه مفید است. سیم‌پیچهای بزرگ ابررسانا که از مواد ابررسانای متعارف مانند آلیاژ نیوبیوم تیتانیوم ساخته شده‌اند برای تولید میدانهای مغناطیسی بسیار قوی مناسب و قابل استفاده است. اگر فاصله دو الکترود ۱/۰ متر، سرعت یونها ۴۰۰ متر بر ثانیه و میدان مغناطیسی ۵ تسلا باشد، ولتاژ خروجی ۲۰۰ ولت خواهد بود و در طول کانال ۶ متری و با قطر یک متر، ۴۰ مگاوات انرژی قابل تولید است. مزیت اصلی ژنرتورهای MHD وزن نسبتاً کم آنها در مقایسه با ژنراتورهای متعارف است که استقبال از کاربرد آنها را در صنایع هوایی و دریایی موجب شده است.Image result for ‫کاربرد ابررسانا‬‎برخی از کاربرد های ابر رسانا

Image result for ‫کاربرد ابررسانا‬‎تصویر مقابل کاربرد ابر رسانا را

در مهندسی برق نشان می دهد.

Image result for ‫کاربرد ابررسانا‬‎یکی دیگر از کاربرد های ابر رسانا در قطار های مغناطیسی است.

Image result for ‫کاربرد ابررسانا‬‎یکی دیگر از کاربرد ها

در انتها فیلمی جالب در مورد چگونگی کار قطار های مغناطیسی و رابطه ی آنها با ابر رسانا ها مشاهده می کنید .

امید واریم از تحقیق گروه ما لذّت برده باشید.

منبع:کتاب قطار های مغناطیسی ـ دانشنامه رشد ـ عکس ها از اینترنت

پایان

غول های الکتریکی

پیمایش نوشته