هل ترغب بمعرفة ما هي الموصلات الفائقة ؟ من أين تستمد قدرتها على نقل الطاقة؟ ما هي الخصائص التي تجعلها مناسبة لتدفق الإلكترونات بأقل مقاومة؟ تابعنا لتتعرف على كل ذلك.
يمكن تصنيف الموصلات الفائقة ، سواء كانت اصطناعية أو طبيعية ، إلى نوعين، وذلك بحسب قدرتها على توصيل الكهرباء. فمن جهة، هناك الموصلات، وتشمل معادن مثل النحاس (Cu) والفضة (Ag) والذهب (Au). تتميز هذه المعادن بنفاذيتها للإلكترونات، إذ يمكنها الدوران بحرية حاملةً معها الشحنة الكهربائية.
من ناحية أخرى فإن فئة المواد التي تسمى العوازل كما هو الحال مع الخشب أو المطاط والتي تمنع انتقال الإلكترونات ونقل التيار الكهربائي عبر أجسامها.
مواد فائقة التوصيل
على الرغم من أن المعادن عادة ما تكون موصلات جيدة للطاقة ، فإن الطاقة الحركية الموجودة في التدفق المستمر للإلكترونات تتسبب في اهتزاز ذرات المادة التي تعمل كموصل وتصادم معها ، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارة جسم المعدن. يزيد الموصل في نفس الوقت من مقاومته للتدفق الكهربائي ، مما يمنع انتقاله الطبيعي ، مما يؤدي إلى فقد الطاقة في شكل حرارة.
يُعدّ فقدان الحرارة الناتج عن التسخين الجولي أمرًا غير مرغوب فيه أحيانًا، لأنه يُعيق الربحية ويُشكّل عائقًا عمليًا. ولذلك، ركّز العديد من الباحثين جهودهم على تحليل خصائص الموصلات الفائقة ، وتحديد المواد فائقة التوصيل ، واستكشاف كيفية استخدامها لصالح البشرية والمجتمع.
ما هي الموصلية الفائقة؟
الموصلية الفائقة هي ظاهرة علمية تحدث عندما تفقد مادة موصلة قدرتها على مقاومة الكهرباء تمامًا، وتحافظ على درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق، أي ما يعادل -237 درجة مئوية. مع ذلك، تختلف درجة الحرارة التي تصبح عندها المادة موصلة فائقة باختلاف نوعها. تعرّف أيضًا على نظرية بلانك الكمية.
أعطيت هذه الظاهرة اسم درجة الحرارة الحرجة أو درجة الحرارة الانتقالية. تم اكتشاف هذه العلاقة في عام 1911 ، في جامعة لايدن من قبل الفيزيائي الهولندي إتش كيه أونز ، وهو نفس الشخص الذي حصل على جائزة نوبل في الفيزياء في العامين التاليين ، في عام 1913.
إذن ما هي الموصلات الفائقة؟
بعد فهم تعريف الموصلية الفائقة، يمكننا أن نستنتج أن الموصل الفائق هو في جوهره مادة خضعت لعملية تم من خلالها خفض درجة حرارتها بشكل كبير، والتي تستخدم فيها عناصر مثل النيتروجين السائل أو الهيليوم بشكل شائع، مع تدرج يؤدي إلى تغيير خصائصها الكهربائية، مما يؤدي إلى القضاء تمامًا على مقاومتها لنقل التيار.
تصنيف الموصلات الفائقة
يمكن تقسيم المواد فائقة التوصيل إلى نوعين:
الموصلات الفائقة النوع I
هي تلك العناصر التي كانت في البداية عناصر موصلة أساسية ، لأنها تُستخدم عادةً لتصنيع جميع العناصر المطلوبة لنقل الكهرباء ، بدءًا من كابل الكهرباء والقدرة على الوصول إلى شريحة صغيرة من أي جهاز كمبيوتر.
بفضل التطورات والتجارب، وصلت الموصلات الفائقة من النوع الأول إلى درجات حرارة حرجة تتراوح بين 0.000325 كلفن و7.8 كلفن عند ضغط قياسي يبلغ 1 بار أو 0.98692327 ضغط جوي. إضافةً إلى حاجتها إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، تتطلب بعض الموصلات الفائقة من النوع الأول التعرض لضغوط هائلة.
هذا ما يحدث مع الكبريت ، الذي يتطلب درجة حرارة 17 درجة مئوية ، والتي تُترجم إلى -256.15 درجة مئوية ، وضغط ثابت قدره 9.3 مليون ضغط جوي ، حتى يكتسب جودة الموصلية الفائقة.
لكن الأمر المهم حقًا هو أنه قد تم إثبات أن خمسين بالمائة من العناصر الموجودة في الجدول الدوري يمكن أن تصبح موصلات فائقة، إذا تم استيفاء شروط درجة الحرارة والضغط المناسبة.
الموصلات الفائقة النوع الثاني
يشمل هذا التصنيف مركبات معدنية مثل النحاس أو الرصاص. والحقيقة أن هذه العناصر تصبح موصلات فائقة عند درجات حرارة أعلى بكثير من تلك المطلوبة للموصلات الفائقة من النوع الأول .
لكن الدراسات مستمرة، لأن سبب هذا الارتفاع الكبير في درجة حرارة هذه المواد لم يُفهم تمامًا بعد. في ظل الضغط القياسي، بلغت أعلى درجة حرارة تم الوصول إليها لمركب ذي خصائص فائقة التوصيل 135 كلفن، أي ما يعادل -138 درجة مئوية، وقد حدث ذلك مع الموصلات الفائقة الخزفية المعروفة باسم الكوبرات.
خصائص الموصلات الفائقة
نظراً لتطبيقاتها العلمية والعملية التي لا تعد ولا تحصى، فإن هذه المواد فائقة التوصيل تحظى بتقدير خاص لأنه بعد التخلص من قدرتها على المقاومة الكهربائية، لا يتم إنتاج أي تأثير حراري، وبالتالي لا يوجد فقد للطاقة، مما يجعل الموصلات الفائقة فعالة بشكل استثنائي.
من الناحية النظرية ، إذا تم توفير تيار صغير لموصل فائق تشكلت به دائرة من النوع المغلق ، فستكون الكهرباء قادرة على الدوران بلا حدود من خلال الموصل الفائق ، دون الحاجة إلى مصدر طاقة إضافي ، وتحويل مادة فائقة التوصيل إلى أقرب شيء إلى آلية الحركة الدائمة.
ومن الاستنتاجات العلمية الأخرى المثيرة للاهتمام التي تم التوصل إليها من خلال التجارب، أن إحدى الخصائص المميزة للموصلات الفائقة من النوع الأول هي قدرتها على طرد مجالها المغناطيسي من داخلها، وهي ظاهرة تُعرف بتأثير مايسنر. وينتج عن هذا التأثير ظواهر مثيرة للاهتمام وعملية، مثل الرفع المغناطيسي. تعرف على المزيد حول هذا الموضوع في قسمنا الخاص بخصائص الموصلات الفائقة.
في المقابل، تسمح الموصلات الفائقة من النوع 2 بمرور المجال المغناطيسي من خلالها.
تطبيقات الموصل الفائق
لكن لم يتم التوصل بعد إلى الموصل الكهربائي الفائق المثالي ، لذلك يتمثل هدف العلماء والباحثين في الحصول على مادة فائقة التوصيل يمكنها العمل في درجة حرارة الغرفة ويمكن استخدامها في شكل كابلات أو أي عنصر توصيل آخر، بالإضافة إلى إمكانية إنتاجها بتكلفة منخفضة للغاية، وهو ما يمثل حاليًا تحديًا كبيرًا للعلوم الحديثة.
لو كان هذا ممكناً، لكانت تطبيقاته لا حدود لها تقريباً. والسبب في ذلك، أولاً، هو أن جميع الأجهزة والمكونات الكهربائية ستصبح أكثر كفاءة، مما سيؤدي إلى انخفاض كبير في استهلاك الكهرباء، وربما الاستغناء عن محطات الطاقة النووية. تعرف على المزيد حول تأثير الموصلات الفائقة على الطاقة.
الفوائد المحتملة على المدى القصير
هناك تطبيق مهم آخر في مجال الطب ، لأنه مع وجود موصل فائق لهذه الخصائص ، يمكن تحسين الطريقة التي تعمل بها آلات التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI).
وبالمثل ، سيكون من الممكن والسهل نقل الطاقة الكهربائية لمسافات طويلة ، دون التعرض لتأثير الخسارة بسبب التشتت في البيئة ، وهذا التطبيق عملي ومفيد بشكل خاص في الأمور المتعلقة بالطاقات المتجددة.
وأخيرًا، باستخدام الموصلات الفائقة من النوع الأول ، من الممكن نظريًا جعل الأجسام تطفو في الهواء دون أي دعم، ويتحقق ذلك من خلال المغناطيسات فائقة التوصيل. قد تُسهم هذه المواد في تطوير أنظمة النقل، مما يجعلها أسرع وأكثر كفاءة وأكثر صداقة للبيئة، كما هو الحال مع القطارات فائقة السرعة.
مستقبل الموصلية الفائقة
صحيح أن بعض التقنيات المرتبطة بالموصلات الفائقة اليوم ربما لم تتطور بعد إلى ما هو أبعد من مجرد فكرة بسيطة أو رسم تخطيطي، ولكن لا يمكن إنكار الجهد الذي بذله الباحثون والعلماء.
ندعوكم أيضاً للاطلاع على: إسهامات بليز باسكال
كما لا يمكن إنكار ضخ الأموال التي قامت بها الحكومات والجامعات بحيث يتم إجراء المزيد من الأبحاث كل يوم والتأكد من أن لها مكانًا في هذا الماراثون العلمي ، حيث لن يتم تبجيل الشخص الذي يحصل على النتيجة المثالية فقط تاريخيًا ، ولكن ذلك سيصبح ركيزة التنمية المستقبلية وتقدم البشرية.
