تعتبر الموصلية الفائقة جزءًا رائعًا من الفيزياء التي تستخدم في العديد من العوامل في حياتنا. إذا تمكن العلماء من اكتشاف درجة حرارة الغرفة وموصل ضغط فائق ، فسيحدث ثورة في التكنولوجيا. لسوء الحظ ، ثبت أن هذه مهمة صعبة للغاية وقد لا تكون ممكنة على الإطلاق.
ما هي الموصلية الفائقة؟
الموصل الكهربائي هو مادة يمكنها توصيل الكهرباء. كل مادة لها مقاومتها الكهربائية الخاصة بها والتي هي مقياس لمقاومتها لتدفق التيار الكهربائي. المادة ذات المقاومة العالية هي موصل ضعيف والعكس صحيح.
الموصلية الفائقة هي ظاهرة فيزيائية حيث يكون للمادة مقاومة كهربائية صفرية. في هذه الحالة ، هناك عدد من التأثيرات الشيقة والمفيدة. الموصل الفائق الذي لا يحتوي على مقاومة يعني أن تيارًا كهربائيًا يمكن أن يمر عبره دون أن يفقد الطاقة أو يسخن. هذا يمكن أن يسمح بنقل الطاقة وتخزينها بكفاءة عالية.
يمكن أن تخلق الموصلات الفائقة أيضًا مغناطيسات قوية بشكل استثنائي ، ويمكن العثور على أمثلة على ذلك في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي وفي مسرعات الجسيمات. أظهرت التجارب أن التيارات الكهربائية في هذه المغناطيسات يمكن أن تستمر لسنوات دون أي انخفاض ملموس في القوة. تشير الأبحاث إلى أن التيار سيكون مستقرًا لمدة 100000 عام على الأقل ، مع بعض التقديرات توقع أن التيار سيكون قادرًا على الاستمرار لفترة أطول من العمر المقدر لـ كون.
عند وضعها فوق مغناطيس ، تشكل الموصلات الفائقة مجالًا مغناطيسيًا متساويًا يصد المغناطيس. يسمح هذا للموصلات الفائقة بالارتفاع تمامًا فوق المغناطيس أو تحته أو حتى على طول مسار المغناطيس.
متطلبات الموصلية الفائقة
تبدأ المادة في الموصلية الفائقة فقط تحت درجة حرارة معينة ، حيث تنخفض مقاومتها الكهربائية فجأة إلى الصفر. لسوء الحظ ، فإن جميع الموصلات الفائقة المعروفة تصبح فائقة التوصيل فقط في درجات حرارة شديدة البرودة. يُعرَّف الموصل الفائق "عالي الحرارة" بأنه مادة تتصرف كموصل فائق أعلى من درجة حرارة النيتروجين السائل (73 كلفن أو -200 درجة مئوية). تسمى درجة الحرارة الدقيقة التي تنخفض عندها المقاومة الكهربائية للمادة إلى الصفر "درجة الحرارة الحرجة".
نصيحة: تُقاس العناصر الفيزيائية الباردة بشكل خاص بوحدة كلفن (K). واحد كلفن يعادل درجة واحدة مئوية ، لكن مقياس كلفن يبدأ من الصفر المطلق ، أو -273.15 درجة مئوية.
أعلى درجة حرارة تم اكتشافها للموصل الفائق اعتبارًا من عام 2020 هو الزئبق12تل3با30كاليفورنيا30النحاس45ا127 التي تبلغ درجة الحرارة الحرجة 138 كلفن أو -135 درجة مئوية عند ضغط جوي واحد.
درجة الحرارة ليست العامل الوحيد المهم في الموصلية الفائقة ، فالضغط يلعب أيضًا دورًا في عدد من الموصلات الفائقة. كبريتيد الهيدروجين (H2S) لديها درجة حرارة حرجة تبلغ 203 كلفن فقط (-70 درجة مئوية) ولانثانوم ديكاهيدريد (LAH10) لديه درجة حرارة حرجة تبلغ 250 كلفن (-23 درجة مئوية). لسوء الحظ ، يجب أن تكون هذه المواد تحت ضغط عالٍ بشكل لا يصدق لتصبح فائقة التوصيل ، مع H2تحتاج S إلى 986923 ضغط جوي و LaH10 تحتاج إلى 1،677،770 غلاف جوي.
نصيحة: يُقاس الضغط على هذا المقياس عمومًا بـ GPa أو Giga-pascals بالأرقام 100 GPa و 170 GPa على التوالي. للمساعدة في جعل هذه القيمة مفهومة بشكل أكبر ، تم تحويلها إلى أجواء. ضغط جوي واحد هو متوسط ضغط الهواء عند مستوى سطح البحر على الأرض. للمقارنة ، فإن الضغط عند أعمق نقطة في محيطات الأرض ، تشالنجر ديب في خندق ماريانا ، هو 1،071 الغلاف الجوي عند 10994 مترًا تحت مستوى سطح البحر.
الاستخدامات المستقبلية المحتملة للموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة
يستخدم مصطلح "الموصل الفائق في درجة حرارة الغرفة" للإشارة إلى المواد المستقبلية المحتملة التي تظهر الموصلية الفائقة عند درجات حرارة أعلى من 273 كلفن أو 0 درجة مئوية. لتصبح مفيدة بشكل خاص في العالم الحقيقي ، يجب أن تكون هذه المواد أيضًا فائقة التوصيل عند أو بالقرب من جو واحد من الضغط.
يساعد الموصل الفائق في درجة حرارة الغرفة على تقليل مشاكل الطاقة في العالم عن طريق القضاء تقريبًا على الطاقة الكهربائية المفقودة أثناء النقل لمسافات طويلة عبر خطوط الطاقة. كما أنها ستسمح بأجهزة كمبيوتر وأجهزة تخزين ذاكرة أسرع إلى جانب أجهزة استشعار علمية أكثر حساسية. سيصبح تشغيل المغناطيسات فائقة القوة المستخدمة في أجهزة مثل مسرعات الجسيمات وآلات التصوير بالرنين المغناطيسي والنموذج الأولي أرخص بكثير مفاعلات الاندماج النووي ، والقطارات المغناطيسية ، حيث لن تتطلب المغناطيسات النيتروجين السائل لتبريد الموصل الفائق بدرجة كافية الشغل.