لا تستمر الأخبار طويلاً دون الإعلان عن نوع ما من الموصلات الفائقة هذه الأيام. لسوء الحظ، تأتي هذه في عدة فئات: المواد التي تتطلب درجات حرارة أكثر دفئًا من المواد السابقة ولكنها لا تزال تتطلب التبريد المبرد، والمواد التي تتطلب ضغوطًا عالية جدًا، أو المواد التي، عند الفحص الدقيق، ليست موصلات فائقة حقًا. ولكن من الواضح أن الكأس المقدسة عبارة عن مادة فائقة التوصيل تعمل عند درجات حرارة معقولة في درجة الحرارة المحيطة. يسمي معظم الناس هذا الموصل الفائق في درجة حرارة الغرفة، ولكن الحقيقة هي أنك تريد حقًا "موصلًا فائقًا عاديًا في درجة الحرارة والضغط"، لكن هذا مجرد كلام.
في مخبأ Hackaday، كنا نتجول حول ما سنفعله عندما يأتي اليوم الذي ينجح فيه شخص ما. ليس الأمر كما لو أن لدينا مجموعة من المشاريع غير المكتملة التي نحتاج إلى الموصلات الفائقة لإكمالها. بخلاف تسهيل تعويم المغناطيس، ماذا سنفعل بموصل فائق في درجة حرارة الغرفة؟
الأساسيات
نرسم المخططات كما لو أن الأسلاك ليس لها مقاومة. ولكن في الحياة الحقيقية، هذا ليس صحيحا. سوف تسبب الإلكترونات المتدفقة عبر السلك بعض الخسارة. ومع ذلك، في عام 1911، كان الفيزيائي الهولندي، هايك كامرلينج أونيس، رائدًا في أبحاث درجات الحرارة المنخفضة. في ذلك الوقت، لاحظت الحكمة الشائعة أنه بينما يؤدي خفض درجة حرارة المعدن إلى تقليل المقاومة، فمن المحتمل أنه عند الصفر المطلق، ستكون الإلكترونات غير متحركة، وبالتالي، لن يتدفق أي تيار كهربائي عند درجة الحرارة تلك. لكن أونس لاحظ العكس تماماً. بدءًا من الزئبق، لاحظ أنه عند درجة حرارة 4.2 كلفن، أي بالقرب من الصفر المطلق، انخفضت مقاومة المادة فجأة إلى الصفر.
وبطبيعة الحال، فإن الحصول على مواد قريبة من 4.2K يمثل مشكلة كبيرة. على سبيل المثال، يغلي النيتروجين السائل - والذي يستخدم عادةً في المختبرات عندما تريد شيئًا باردًا - عند درجة حرارة 77 كلفن. وحتى في هذه الحالة، فإن تبريد الأشياء بالنيتروجين السائل ليس عمليًا جدًا لمعظم التطبيقات. ومع ذلك، هناك بعض المواد الخزفية التي تظهر موصلية فائقة فوق 90 كلفن، لذلك من الممكن استخدام الموصلات الفائقة اليوم إذا كنت على استعداد للتبريد باستخدام شيء مثل النيتروجين السائل.
لا تظهر الموصلات الفائقة فقدًا كهربائيًا، لذلك يمكن للتيار أن ينتقل إلى الأبد في حلقة من المواد فائقة التوصيل. وقد لاحظت التجارب أن التيارات تسير في حلقة لمدة ثلاثة عقود تقريبًا دون أي خسارة قابلة للقياس، ويتوقع العلماء أن التيارات ستستمر على الأقل 100,000 سنة، إن لم يكن أكثر من عمر الكون.
الفيزياء وراء كل ذلك مشعرة. في الموصلات العادية، تتدفق الإلكترونات عبر الشبكة الأيونية. تصطدم بعض الإلكترونات بالأيونات، وتحول بعض طاقتها إلى حرارة. في الموصل الفائق، ترتبط الإلكترونات في أزواج ضعيفة تعرف باسم أزواج كوبر. تشكل الأزواج نوعًا من السوائل الفائقة التي يمكن أن تتدفق دون تبديد الطاقة. يمكنك مشاهدة شرح أكثر تفصيلاً في الفيديو أدناه.
[المحتوى جزءا لا يتجزأ]
إحدى النقاط المهمة حول الموصلية الفائقة هي أنها تختفي فوق مستويات المجال المغناطيسي والتيار المحددة. لذلك، بالإضافة إلى توصيف الموصلات الفائقة من خلال درجة حرارتها وضغطها الحرج، من المهم أيضًا معرفة كثافة التيار الحرجة وقوة المجال المغناطيسي الحرجة.
حالات واضحة
هناك العديد من الأماكن التي تستخدم فيها الموصلات الفائقة اليوم: SQUID (أجهزة التداخل الكمي فائقة التوصيل) عبارة عن مقاييس مغناطيسية حساسة للغاية تستخدم وصلات جوزيفسون، وهي موصلات فائقة مع مكون عازل رقيق. هذه شائعة في المختبرات وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي وأجهزة الكمبيوتر الكمومية. ومن الممكن استخدامها لتحديد موقع الغواصات أيضًا. لا يحتاجون إلى اجتياز تيارات كبيرة ولا يخضعون لمجالات قوية. ومن المفترض، إذا كان لديك موصلات فائقة في درجة حرارة الغرفة، فيمكنك تشكيل وصلات جوزيفسون بها، وستصبح جميع هذه الأجهزة أقل تكلفة وأسهل في التشغيل.
هناك مكان آخر نرى فيه الموصلات الفائقة بالفعل وهو في المغناطيسات الكهربائية لأشياء مثل التصوير بالرنين المغناطيسي، ومسرعات الجسيمات، والقطارات المرفوعة، ومفاعلات الاندماج. هذه هي التطبيقات التي تتطلب تيارًا عاليًا أو تخضع لمجالات مغناطيسية قوية. اليوم، تتطلب جميع هذه التطبيقات النيتروجين السائل أو الهيليوم السائل. إذا انتهى الأمر بالموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة المستقبلية إلى الحصول على كثافات تيار حرجة عالية أيضًا، فيمكنك بناء مغناطيسات كهربائية قوية جدًا بتكلفة زهيدة.
من المؤكد أن الأماكن التي نستخدم فيها الموصلات الفائقة الباردة اليوم سوف تتحسن. ولكن هناك أيضًا العديد من التطبيقات الجديدة التي يمكنك القيام بها اليوم ولكن تكاليف التبريد باهظة للغاية. وبطبيعة الحال، فإن بعضها سيعتمد على خصائص المادة السحرية المجهولة. على سبيل المثال، كثيرا ما تسمع الناس يقولون إن خطوط نقل الكهرباء يمكن أن تكون موصلات فائقة. هذا صحيح، ولكن فقط إذا كانت لديها معاملات مجال مغناطيسي حرجة عالية، وإلا فإنها لا تعمل حقًا مع التيار المتردد. من ناحية أخرى، نحن نستخدم التيار المتردد جزئيًا كوسيلة للتحوط ضد الخسائر، لذلك إذا كنت على استعداد لتغيير النظام بأكمله، فمن المحتمل أن تستخدم كابلات فائقة التوصيل لنقل جهد تيار مستمر منخفض لمسافات طويلة، ولكنك بعد ذلك تعتمد على جهد حرج عالي. كثافة التيار.
الأجهزة الإلكترونية
نحن لسنا متأكدين تمامًا مما ستفعله الموصلات الفائقة للإلكترونيات الاستهلاكية. قد يعني المغناطيس الأفضل محركات أفضل، لذلك ربما يكون المثقاب الكهربائي الخاص بك أخف وزنًا وأكثر قوة. قد يعني انخفاض المقاومة في المكونات فقدانًا أقل للحرارة وعمرًا أطول للبطارية. كثيرا ما تسمع أن الموصلات الفائقة ستؤدي إلى هواتف تدوم لأسابيع بعد شحنها. ربما، ولكن تخميننا ليس على الفور. نشك في أن فقدان الاتصال البيني هو في الواقع ما يستنزف بطارية هاتفك. ومع ذلك، فمن الصحيح أن المكونات التي تحتوي على عدد أقل من أوجه القصور يمكن أن تؤدي إلى عمر أطول للبطارية. قد يسمح بشحن أسرع أيضًا. بعد كل شيء، يعد شحن GaN أكثر كفاءة لأنه ينتج حرارة أقل من الإلكترونيات التقليدية. سيكون الشاحن فائق التوصيل أسرع.
بشكل عام، يمكنك أن تتوقع أن تكون الإلكترونيات فائقة التوصيل الدافئة قادرة على التعامل مع تيار أكبر في المساحات الأصغر. هناك من يعتقد أنها قد تكون أسرع أيضًا. كانت تقاطعات إيري جوزيفسون (في الهيليوم السائل) أسرع بكثير من الترانزستورات التقليدية المستخدمة في ذلك الوقت. وبطبيعة الحال، أصبحت الترانزستورات أفضل اليوم، ولكن من المفترض أن يؤدي الاستخدام الواسع النطاق للوصلات فائقة التوصيل إلى تحسينات أيضًا.
ماذا ستفعل؟
لكن الحقيقة هي أننا لا نعرف خصائص الموصل الفائق في درجة حرارة الغرفة، ولا نعرف ما قد يجلبه أو لا يجلبه. ربما لن يكون لديك هاتف خلوي فائق التوصيل لأنه سيعيد ضبط نفسه كلما واجهت مجالًا مغناطيسيًا. نحن ببساطة لا نعرف.
ومع ذلك، أردنا أن نسأل. إذا كان بإمكانك فتح متصفح الويب الخاص بك وطلب أجزاء فائقة التوصيل الآن، فماذا ستفعل بها؟ هل تريد سلك؟ لفائف؟ تبديل الأجهزة؟ و لماذا؟ اسمحوا لنا أن نعرف في التعليقات أدناه.
إذا كان بإمكانك الوصول إلى النيتروجين السائل، فربما يكون لديك بالفعل باستخدام مواد فائقة التوصيل. لو ذلك، اسمحوا لنا أن نعرف ذلك، أيضاً. أو ربما كنت تعمل على صنع المادة التالية للمطالبة بالموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة.
صورة مميزة: المغناطيسات الحلقية الثمانية فائقة التوصيل الموجودة في قلب المصادم LHC، الائتمان: CERN.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://hackaday.com/2024/02/26/ask-hackaday-what-if-you-did-have-a-room-temperature-superconductor/
