برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

در چند دهه ی اخیر سیستم های ذخیره ساز انرژی با انگیزه های متفاوتی به منظور بهبود عملکرد سیستم قدرت، مورد توجه قرار گرفته اند.بطورمعمول در سیستم قدرت بین قدرتهای الکتریکی تولیدی و مصرفی تعادل لحظه ای برقرار است و هیچگونه ذخیره انرژی در آن صورت نمی گیرد .بنابراین لازم است میزان تولید شبکه، منحنی مصرف منطقه را تغقیب کند. واضح است بهره برداری از سیستم بدین طریق، با توجه به شکل متعارف منحنی مصرف غیر اقتصادی است.استفاده از ذخیره ساری های انرژی با ظرفیت بالا به منظور تراز ساری منحنی مصرف و افزایش ضریب بار، از اولین کاربردهای ذخیره انرژی در سیستم قدرت در جهت بهره برداری اقتصادی می باشد. علاوه بر این،اغتشاشهای مختلف در شبکه ( تغییرات ناگهانی بار، قطع و وصل خطوط انتقال،...) خارج شدن سیستم از نقطه تعادل را به دنبال دارد. در این شرایط ابتدا از محل انرژی جنبشی محور ژنراتورهای سنکرون انرژی برداشت می شود، سپس حلقه های کنترل سیستم فعال شده و تعادل را بر قرار می سازند. این روند، نوسان متغیرهای مختلف مانند فرکانس، توان الکتریکی روی خطوط و...را موجب می شود که مشکلات مختلفی را در بهره برداری از سیستم قدرت به دنبال دارد. هر گاه در سیستم مقداری انرژی ذخیره شده باشد،با مبادله سریع آن با شبکه در مواقع مورد نیاز به حد قابل توجهی می توان مشکلات فوق را کاهش داد.به عبارت دیگر، ذخیره ساز انرژی را می توان در بهبود عملکرد دینامیکی سیستم نیز بکار برد. از اوایل دههً هفتاد مفهوم ذخیره سازی انرژی الکتریکی به شکل مغناطیسی مورد توجه قرار گرفت. با ظهور تکنولژی ابر رسانایی، کاربردهای گوناگونی برای این پدیده فیزیکی مطرح شد. از معروف ترین این کاربردها می توان به SMES اشاره کرد. در SMES انرژی در یک سیم پیج با اندوکتاس بزرگ که از ابر رسانا ساخته شده است، ذخیره می شود. ویژگی ابر رسانا یی سیم پیچ موجب می شود که راندمان رفت و برگشت فرایند ذخیره انرژی بالا و در حدود 95% باشد. ویژگی راندمان بالای SMES آن را از سایر تکنیکهای ذخیره انرژی متمایز می کند. همچنین از آنجایی که در این تکنیک انرژی از صورت الکتریکی به صورت مغناطیسیو یا بر عکس تبدیل می شود، SMES دارای پاسخ دینامیکی سریع می باشد. بناراین می تواند در جهت بهبود عملکرد دینامیکی نیز بکار رود. معمولا واحدهای ابر رسانایی ذخیره سازی انرژی را به دو گونه ظرفیت بالا( MWh 500 ( جهت ترا سازی منحنی مصرف، و ظرفیت پایین (چندین مگا ژول) به منظور افزایش میرایی نوسانات و بهبود پایداری سیستم می سازند.بطور خلاصه مهم ترین قابلیت SMESجدا سازی 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.


ابررسانایی: در سال 1908 وقتی کمرلینگ اونز هلندی در دانشگاه لیدن موفق به تولید هلیوم مایع گردید حاصل شد که با استفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود یک درجه کلوین برسد.یکی از اولین بررسی هایی که اونز با این درجه حرارت پایین قابل دسترسی انجام داد مطالعه تغییرات مقاومت الکتریکی فلزات بر حسب درجه حرارت بود. چندین سال قبل از آن معلوم شده بود که مقاومت فلزات وقتی دمای آنها به پایین تر از دمای اتاق برسد کاهش پیدا می کند. اما معلوم نبود که اگر درجه حرارت تا حدود کلوین تنزل یابد مقاومت تا چه حد کاهش پیدا می کند. آقای اونز که با پلاتینیم کار می کرد متوجه شد که مقاومت نمونه سرد تا یک مقدار کم کاهش پیدا می کرد که این کاهش به خلوص نمونه بستگی داشت. در آن زمان خالص ترین فلز قابل دسترس جیوه بود و در تلاش برای بدست آوردن رفتار فلز خیلی خالص اونز مقاومت جیوه خالص را اندازه گرفت.او متوجه شد که در درجه حرارت خیلی پایین مقاومت جیوه تا حد غیر قابل اندازه گیری کاهش پیدا می کند که البته این موضوع زیاد شگفت انگیز نبود اما نحوه از بین رفتن مقاومت غیر منتظره می نمود.موقعی که درجه حرارت به سمت صفر تنزل داده می شود به جای اینکه مقاومت به ارامی کاهش یابد در درجه حرارت 4 کلوین ناگهان افت می کرد و پایین تر ازاین درجه حرارت جیوه هیچگونه مقاومتی از خود نشان نمی داد. همچنین این گذار ناگهانی به حالت بی مقاومتی فقط مربوط به خواص فلزات نمی شد و حتی اگر جیوه ناخالص بود اتفاق می افتاد.آقای اونز قبول کرد که پایین تر از 4 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 گرفت.بعدا کشف شد که ابررسانایی را می توان از بین برد ( یعنی مقاومت الکتریکی را می توان مجددا بازگردانید.) و در نتیجه معلوم شد که اگر یک میدان مغناطیسی قوی به فلز اعمال شود این فلز در حالت ابررسانایی دارای خواص مغناطیسی بسیار متفاوتی با حالت درجه حرارتهای معمولی می باشد.تاکنون مشخص شده است که نصف عناصر فلزی و همچنین چندین آلیاژ در درجه حرارت های پایین ابر رسانا می شوند. فلزاتی که ابررسانایی را در درجه حرارت های پایین از خود نشان می دهند ( ابر رسانا ) نامیده می شوند. سالهای بسیاری تصور می شد که تمام ابررسانا ها بر طبق یک اصول فیزیکی مشابه رفتار می کنند. اما اکنون ثابت شده است که دو نوع ابررسانا وجود دارد که به نوع I و II مشهور می باشد. اغلب عناصری که ابررسانا هستند ابررسانایی از نوع I را از خود نشان می دهند.در صورتی که آلیاژها عموما ابررسانایی از نوع II را از خود نشان می دهند. این دو نوع چندین خاصیت مشابه دارند. اما رفتار مغناطیسی بسیار متفاوتی از خود بروز می دهند.پدیده ی ابر رساناییدر تکنولوژی از توانایی گستردهای بر خوردار است زیرا بر پایه ی این پدیده بارهای الکتریکی می توانند بدون تلفات گرمایی از یک رسانا عبور کنند. به طور مثال جریان القا شده در یک حلقه ی ابر رسانا بدون وجود هیچ باطری در مدار به مدت چند سال بدون کاهش باقی می ماند.برای نمونه در واشنگتن از یک خلقه ابر رسانای بزرگ برای ذخیره کردن انرژی الکتریکی در ت کوما استفاده می شود. ذخیره ی انرژی در این حلقه تا 5 مگاوات بالا می رود و انرژی در مدت مورد نظر آزاد می شود.عمده مشکل ایجاد کردن شرایط برای این پدیده دمای بسیار پایین آن می باشد که باید دماهای بسیار پایین را محیا کرد . اما در سال 1986 مواد سرامیکی جدیدی کشف شد که در دماهای بالاتری توا نایی ابر رسانایی را داشته باشد.( تا اکنون در دمای 138 درجه کلوین این امر میسر شده است .)کاربردهای ابر رسانایی :کاربردهای زیادی را برای ابررساناهادر نظر گرفته است بعنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شدکه مدار ماهواره های چرخنده به دور زمین با دقت بسیاربالایی کنترل شوند . خاصیت اصلی ابر رساناها به دلیل نداشتن مقاومت الکتریکی امکان انتقال جریان الکتریکی – حجم کوچکی از ابررسانا است . بهمین خاطر اگر بجای سیمهای مسی از ابر رساناها استفاده شود ،موتورهای فضاپیماها تا 6 برابر نسبت به موتورهای فعلی سبکتر خواهند شد و باعث می شود که وزن و فضاپیما بسیار کاهش یابد .

از دیگر زمینه هایی که ابررساناها می توانند نقش اساسی در آنها بازی می کنند می توان کاوشهای بعدی انسان از فضارا نام برد . ابررساناها بهترین گزینه برای تولید وانتقال بسیارکارآمد انرژی الکتریکی هستند و طی شبهای طولانی ماه که دما تا 173- درجه سانتی گراد پایین می آید و طی ماههای ژانویه تا مارس دستگاههای MRI ساخته شده ازسیمهای ابررسانا ، ابزار تشخیص دقیق وتوانمندی در خدمت سلامت خدمه فضاپیما خواهد بود . و همچنین ساخت ابر کامپیوتر های بسیار کوچک و کم مصرف می باشد.





چیست ؟SMES Superconducting Mgnetic Enrgy Storage


ابرسانای ذخیره کننده انرژی مغناطیسی
وسیله ای است برای ذخیره کردن انرژی و بهبود پایداری سیستم و کم کردن نوسانات. این انرژی توسط میدان مغناطیسی که توسط جریان مستقیم ایجاد می شود ذخیره می شود.









این وسیله می تواند هزاران بارشارژ و دشارژ شود بدون اینکه تغییری در مغناطیس آن ایجاد شود .


SMES اولین سیستم


اولین نظرییه ها در مورد این سیستم توسط فرریهFerrier در سال 1969 مطرح شد او سیم پچی بزرگ مارپیچی که توانایی ذخیره انرژی روزانه کل فرانسه داشت پیشنهاد کرد. که به خاطر هزینه ساخت بسیار زیاد آن کسی پیگیری نکرد.در سال 1971 تحقیقات در آمریکا در دانشگاه ویسکانسین برای فهمیدن بحثهای بنیادی اثر متقابل مابین انرژی ذخیره شده و سیستم های چند فازه منجربه ساخت اولین دستگاه شد.هیتاچی در سال 1986 یک دستگاه SMES به میزان 5MJ را ساخت وآزمایش کرد.در سال 1998 یک SMES 100KWH توسط ISTEC در ژاپن ساخته شد.


SMES و مدل سازی آن


یک واحد SMES که در سیستمهای قدرت بکار گزفته میشود از یک سیم پیچ بزرگ ابررسانا و یک سیستم سرد کننده هلیم به منظور نگهداری دمای هلیم در زیر دمای بحرانی تشکیل شده است. سیم پیچ ابررسانا از طریق دو مبدل AC/DC شش تریسیتور و یک ترانسفورماتور قدرت سه سیم پیچه کاهنده به سیستم قدزت متصل است.در شکل اندوکتانس L به عنوان بار در قسمت DC در منطقه کنترل دما قرار می گیرد.و مبدلهای AC/DC در خارج این منطقه قرار می گیرند. با کنترل زاویه آتش تریسیتورها ولتاژ DC دو سر سیم پیچ ابر رسانا را میتوان به طور پیوسته در بازه ی وسیعی از مقادیر ولتاژهای مثبت ومنفی کنترل کرد. اگز از تلفات جزیی سیستم صرفنظر کنیم بر اساس تئوری مبدل ها داریم:









که در آن Ed ولتاژ دو سرسیم پیچ Ed ولتاژماکزیمم دو سر سیم پیچ در بی باری ، Idجریان سیم پیچ ابر رسانا ، xc راکتانس کموتاسیون همگی بر حسب pu و a زاویه آتش می باشد مشخصه کاری SMES دارای دو حالت یکسوسازی و اینورتری می باشد . معمولاً این پریود در زاویه آتش صفر یعنی حداکثر ولتاژ اجام می شود.در حالت اینورتری انرژی مغناطیسی ذخیره شده در سیم پیچ به شکل الکتریکی وارد شبکه می گردد.شکل زیر بلوک دیاگرام مدل SMES را نشان می دهد . ولتاژ Ed دو سر سیم سیم پیچ به عنوان عامل کنترل توان مورد استفاه قرار می گیرد. بسته به نوع کاربرد SMES یکی از کمیت های تغییر فرکانس شبکه تغییر سرعت ماشین سنکرون ، تغییرات ولتاژ شبکه و... به عنوان ورودی به SMES انتخاب می شود . خروجی SMES نیز توان دریافتی می باشد.در این شکل Tdc تاخیر زمانی مبدل،Kf بهره حلقه کنترل و L اندوکتانس سیم پیچ می باشد.معمولا پس از تخلیه انرژی SMES زمان زیادی لازم است تا جریان به حالت اولیه بر می گردد،به منظور رفع این مشکل میتوان از یک فیدبک تغییر جریان استفاده کرد.بدین ترتیب SMES را در مطالعات دینامیکی می توان با این مدل غیر خطی مرتبه دوم توصیف کرد.


چگونگی انجام کار
ابررسانایی
اجسام ابررسانا ظرفیت ذخیزه را افزایش می دهند ،در دماهای پایین اجسام ابررسانا در مقابل عبور جریان از خود مقاومتی نشان نمی دهند .به هر حال کاربرد ابرسانا ها توسط عواملی چون وضعیت کاهش دما ، میدان مغناطیسی بحرانی و چگالی جریان بحرانی محدود میشود.





SMES انرژی الکتریکی را در میدان مغناطیسی ناشی از جریانDC جاری در سیم پیچ ذخیر می شود. اگر سیم پیچ از موادی مثل مس باشد انرژی مغناطیسی زیادی در سیم به خاطر مقاومت بیهوده تلف می شود ؛ اگر سیم از جنس ابر رسانا باشد انرژی در حالت (( پایا)) وتا زمانی که لازم است ذخیره شود. ابررساناها در مقابل جریان DC مقاومت ندارند و به همین دلیل در دمای پایین تلفات اهمی ا محو میکنند در کابرد AC جریان الکتریکی هنوز تلفات دارد اما این تلفات میتواند با طراحی مناسب کاهش پیدا کند. برای هر دوحالت کاری AC DC انرژی زیادی ذخیره میشود.بهینه ترین دما برای دستگاهها 77-50 کلوین است


انرژی ذخیره شده در سیم پیچ برابر است با :





حجم چگالی انرژی :



نویسنده : پویا ماکاراچی


در سال 1911 ، H. Kamerlingh-Onnes هنگام كار كردن در آزمایشگاه دمای پایین خود كشف كرد كه در دمای چند درجه بالای صفر مطلق، جریان الكتریسیته می تواند بدون هیچ اتلاف اختلاف پتانسیل در فلز جیوه جریان پیدا كند. او این واقعه ی منحصر به فرد را "ابررسانایی" (Superconductivity) نامید. هیچ نظریه ای برای توضیح این رخداد در طول پنجاه و شش سال بعد از كشف ارائه نگردید. تا وقتی كه در 1957 ، در دانشگاه الینویس ، سه فیزیكدان : John Bardeen ، Leon Cooper ، و Robert Schrieffer نظریه ی میكروسكوپی خود ارائه كردن كه بعدا با نام تئوری BCS (حروف ابتدایی نام محققان ) شناخته شد. سومین رخداد مهم در تاریخ ابررسانایی در سال 1986 اتفاق افتاد، وقتی كه George Bednorz و Alex Mueller ، در حال كار كردن در آزمایشگاه IBM نزدیك شهر زوریخ سوئیس، یك كشف مهم دیگر كردند : ابررسانایی در دماهای بالاتر از دماهایی كه قبلا برای ابررسانایی شناخته شده بودند در فلزاتی كاملا متفاوت از آنچه قبلا فلز ابررسانا شناخته می شود. این كشف باعث ایجاد زمینه ی جدید ی در علم فیزیك شد : مطالعه ابررسانایی دمای بالا، یا .

در این مقاله، كه برای غیر متخصص ها تنظیم گشته است، این را كه ما چقدر در فهم دمای بالا پیشرفت كرده ایم را توضیح خواهم داد و درباره چشم انداز های آینده ی توسعه ی یك نظریه ی میكروسكوپی بحث خواهم كرد. من با مروری بر برخی مفاهیم پایه ی نظریه ی فلزات شروع می كنم؛ برخی اقدامات كه منجر به ارائه ی نظریه BCS گشت را توضیح می دهم؛ و كمی در باره ی تئوری BCS بحث خواهم كرد و آن را توضیح خواهم داد. سپس مختصرا در باره ی پیشرفت هایی كه به فهم ما از ابررسانایی و ابرسیالی، در جهان ارائه شده است، بحث خواهم كرد، پیشرفت هایی كه بوسیله الهام از تئوری BCS بدست آمده اند. كه شامل كشف رده های زیادی از مواد ابرسیال می باشد، از هلیوم 3 مایع كه چند میلی درجه بالاتر از صفر مطلق به حالت ابرسیالی در می آید تا ماده ی نوترون موجود در پوسته ی سیاره ی نوترون، كه در چند میلیون درجه به حالت ابرسیالی در می آید. سپس درباره ی تاثیرات كشف مواد ابررسانای دمای بالا بحث خواهم كرد ، و برخی نتایج تجربی كلیدی را جمع بندی خواهم كرد. سپس یك مدل برای ابررسانایی دمای بالا ارائه خواهم داد ، نزدیك به نظریه ی ضد فرومغناطیسی مایع فرمی ، كه به نظر دارای توانایی ارائه ی مقدار زیادی از خواص غیرعادی حالت معمولی مواد ابررسانای سطح بالا می باشد. من با یك توضیح تجربی برای خواص جالب توجه حالت عادی ابررساناهای پیش بینی شده و در دست بررسی جمع بندی و نتیجه گیری می كنم، كه یك رده جالب از مواد را معرفی می كند : مواد قابل تطبیق پیچیده . كه در آن بازخورد غیرخطی طبیعی، چه مثبت و چه منفی، نقشی حیاتی در تعیین رفتار سیستم باز ی می كنند.

ابررساناهای مرسوم : از كشف تا درك ...

در سخنرانی نوبل خود در سال 1913 ، Kammerlingh-Onnes گزارش داد كه "جیوه در 4.2 درجه كلوین به حالت جدیدی وارد می شود، حالتی كه با توجه به خواص الكتریكی آن، می تواند ابررسانایی نام بگیرد. او گزارش داد كه این حالت می تواند به وسیله ی اعمال میدان مغناطیسی به اندازه ی كافی بزرگی از بین برود. در حالی كه یك جریان القاء شده در یك حلقه بسته ابررسانا به مدت زمان فوق العاده زیادی باقی می ماند و از بین نمی رود. او این رخداد را به طور عملی با آغاز یك جریان ابررسانایی در یك سیم پیچ در آزمایشگاه لیدن، و سپس حمل سیم پیچ همراه با سرد كننده ای كه آن را سرد نگه می داشت به دانشگاه كمبریج به عموم نشان داد.

این موضوع كه ابررسانایی مساله ای به این مشكلی ارائه كرد كه 46 سال طول كشید تا حل شود، خیلی شگفت آور می باشد. دلیل اول این می تواند باشد كه جامعه ی فیزیك تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه ی راه حل برای این مسئله را نداشت : تئوری كوانتوم فلزات معمولی. دوم اینكه، تا سال 1934 هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد. سوم اینكه، وقتی مبانی عملی لازم بدست آمد، به زودی واضح شد انرژی مشخصه وابسته به تشكیل ابررسانایی بسیار كوچك می باشد، حدود یك میلیونیم انرژی الكترونیكی مشخصه ی حالت عادی. بنابراین، نظریه پردازان توجه شان را به توسعه ی یك تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب كردند. این مسیر را Fritz London رهبری می كرد. كسی كه در سال 1953 به نكته ی زیر اشاره كرد :‌ "ابررسانایی یك پدیده كوانتومی در مقیاس ماكروسكوپی می باشد ... با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریك شده بوسیله ی وقفه های زمانی." و اینكه "diamagntesim یك مشخصه بنیادی می باشد."

اجازه بدهید كمی درباره ی مبانی علمی كوانتومی بحث كنیم. الكترون ها در فلز در پتانسیل متناوب تولید شده از نوسان یون ها حول وضعیتشان حركت می كنند. حركت یون ها را می توان بوسیله ی مد های جمعی كوانتیزه شده ی آنها، فونون ها، توجیه كرد. سپس در طی توسعه ی نظریه ی كوانتوم، نظریه ی پاولی اصل انفجار وجود دارد ، كه معنای آن بیانگر مفهوم آن است و آن اینكه - الكترونها به صورت اسپین نیمه كامل ذاتی (half integral intrinsic spin) قرار می گیرند، و در نتیجه هیچ الكترونی نمی تواند طوری قرار بگیرد كه عدد كوانتوم آنها با هم یكی باشد. ذراتی كه به صورت اسپین نیمه كامل ذاتی قرار می گیرند با نام فرمیون ها (fermions) شناخته می شوند، به خاطر گرامیداشت كار های فرمی (Fermi) كه ، همراه با دیاك (Diac) ، نظریه ی آماری رفتار الكترون در دماهای محدود را توسعه دادند، این تئوری با نام Fermi-Diac statistics شناخته می شود. در توضیح فضای اندازه حركت یك فلز ساده، حالت پایه یك كره در فضای اندازه ی حركت می باشد، كه اندازه ی شعاع آن، pf بوسیله ی چگالی فلز تعیین می گردد. انرژی خارجی ترین الكترون ها، در مقایسه با انرژی گرمایی میانگین آن ها، Kt بسیار بزرگ می باشد. به عنوان نتیجه، تنها بخش كوچكی از الكترون ها ، ، در بالاتر از حالت پایه تحریك می شوند. الكترون ها با هم دیگر ( قانون كلمب ) و با فونون ها تعامل می كنند و رابطه دارند. تحریكات ابتدائی آن ها ذرات quasi ، (quasiparticles) می باشند ، الكترون ها با ضافه ی ابر الكترونی وابسته به آنها و فونون هایی كه هنگام حركت از میان شبكه الكترون را همراهی می كند. یك بحث و مذاكره ی ابتدائی نشان می دهد كه طول عمر یك quasiparticle تحریك شده بالای سطح فرمی ( سطح كره ی فرمی ) تقریبا برابر می باشد. مساله و مشكلی كه برای نظریه پردازان در رابطه با این مساله پیش آمده، فهم چگونگی تحمل پذیری الكترون ها ی تعامل كننده هنگام رفتن به حالت ابررسانایی ، می باشد. این امر چگونه انجام می شود ؟ توضیح ریاضی مناسب برای این امر چه می باشد ؟

یك كلید راهنمای بسیار لازم در سال 1950 میلادی بدست آمد، وقتی محققان در Nationa Bearue of Standards و دانشگاه روتگرز كشف كردند كه دمای انتقال به حالت ابررسانایی سرب بستگی به جرم ایزوتوپ آن، یعنی M ، دارد ، و رابطه ی عكس با M1/2 دارد. از آنجایی كه انرژی لرزشی شبكه ای همان بستگی را با M1/2 دارد، كوانتای پایه ی آنها، فونون ها ، باید نقشی در ظهور و ایجاد حالت ابررسانایی بازی كند. در سال های بعدی، Herber Frohlich ، كه از پوردو از دانشگاه لیورپول بازدید می كرد، و John Bardeen كسی كه آن زمان در آزمایشگاه های بل كار می كرد، تلاش كردند نظریه ای با استفاده از تعامل الكترون ها و فونون ها ارائه بدهند، ولی شكست خوردند و موفق نشدند. كار انجام شده توسط آن ها را می توان به كمك دیاگرام های معرفی شده توسط ریچارد فاینمن (Richar Feynman) به تصویر كشید، كه در قسمت (a) تصویر زیر نشان داده شده است. در تصویر زیر می توان یك الكترون را مشاهده كرد كه یك فونون را آزاد می كند و سپس آن را جذب می كند. خواص آن بوسیله جفت شدن پویا با شبكه تغییر می یابند و تغییر در انرژی آن نسبت عكس با M1/2 دارد . اما این quasiparticle ها به حالت ابررسانایی در نمی آیند.

سپس Frohlich احتمال دوم را در نظر گرفت، حالتی كه در تصویر بالا قسمت (b) نشان داده شده است، كه در آن یك الكترون یك فونون را آزاد می كند و الكترون دومی آن فونون را جذب می كند. این تعامل فونون القایی می تواند برای الكترون ها ی نزدیك سطح فرمی جذاب باشد. این یك معادله فلزی waterbed می باشد : دو شخص كه یك waterbed را به اشتراك می گذارند، تمایل دارند تا به مركز آن جذب شوند، همان طوری كه روند القاء الكترون ها را جذب می كند. (یك شخص تورفتگی را در waterbed القاء می كند، تورفتگیی كه شخص دوم را جذب می كند.) تعامل مطالعه شده توسط Frohlich در نگاه جذاب و زیبا به نظر می رسد، كه هم جدید بود و هم ذاتا تناسب درستی با جرم ایزوتوپی، M ، داشت. اگر چه مشكلی بزرگ در درك چگونگی نقش بازی كردن آن وجود داشت، از آن جا كه تعامل پایه ای كلمب (Coulomb) بین الكترون ها دفع كننده می باشد، و خیلی قوی تر می باشد. همانطور كه لاندو (Laundau) قرار داد : "شما نمی توانید قانون كولمب را لغو كنید." این اشكالی بود كه John Bardeen و نویسنده ی این مقاله، دیوید پاینس (David Pines) (هنگامی كه اولین دانشجوی دكترا در دانشگاه ایلیونیس در سال های 1952-1955 بود) ، آن را مورد انتقاد قرار دادند. چیزی كه آن ها پیدا كردند، به وسیله ی توسعه ی یك راهبرد كه David Bohm و David Pines قبلا برای فهم تعامل های جفت الكترون ها در فلزات توسعه داده بودند، این بود كه "پیام ، متوسط است ." ("The Medium is the message") . وقتی آن ها اثر رویه ی به پرده در آوردن الكترونیكی (Electronic Screening) روی هر دو تعامل الكترون-الكترون و الكترون-آهن را در نظر گرفتند، فهمیدند كه حضور جزء تشكیل دهنده ی دومی، یونها ، یك تعامل جذاب شبكه ای را بین یك جفت الكترون كه تفاوت انرژی آن ها از انرژی یك فونون بنیادین كمتر می باشد، ممكن می سازد .

كه در آن ثابت دی الكتریك استاتیك وابسته به watervector می باشد، انرژی فونون می باشد، q انتقال اندازه ی حركت می باشد، و تفاوت بین انرژی الكترون ها می باشد. ترتیب ها آن به صورت جزئی تر توسط Leon Cooper مطالعه شده است . او فهمید كه به خاطر این جذابیت شبكه ای، سطح فرمی حالت عادی می تواند در دماهای پائین به تشكیل جفت الكترون هایی با اسپین و اندازه حركت مخالف، بی ثبات شود. با كار او، راه حلی برای ابررسانایی نزدیك بود. در سال 1957 میلادی، هنگامی كه Bob Schrieffer ، كسی كه دانشجوی فارغ التحصیلی Bardeen در دانشگاه الیونیس بود، فهمید كه توضیح میكروسكوپی داوطلب حالت ابررسانایی، می تواند با به كار بردن راهبردی كه قبلا برای پلارن ها توسعه یافته بود، توسعه یابد. (به وسیله ی T.D. Lee ، Francis Low و David Pines ) به جفت های تعامل كننده ی كوپر. در هفته های بعدی، Bardeen ، Cooper ، و Schrieffer نظریه ی میكروسكوپی ابررسانایی خود، تئوری BCS را ارائه دادند. كه این تئوری در توضیح و تفسیر رویداد ها ی ابررسانایی موجود و هم چنین در پیش گویی رویداد های جدید بسیار موفق بود. در جولای 1959 ، در اولین كنفرانس عظیم در رابطه با ابررسانایی بعد از ارائه ی نظریه ی BCS ، (در دانشگاه كمبریج) ، David Schoenberg كنفرانس را با این جمله آغاز كرد : "حالا ببینیم تا چه حدی مشاهدات با حقایق نظری جور در می آیند ..."

تئوری BCS و اثرات آن

در تئوری BCS جذابیت زیادی بین جفت الكترون های دارای اسپین و اندازه حركت مخالف هستند و مسئول انتقال به حالت ابررسانایی هستند وجود دارد. پایین درجه ی حرارت تبدیل به حالت ابررسانایی، ، جفت هایی از هم چگال ها، یك حالت كوانتومی یگانه ی اشغال شده ی ماكروسكوپیك، كه بدون مقاومت جریان می یابد، و میدان های مغناطیسی خارجی ضعیف را screen out می كند، باعث بوجود آمدن یك دیامگنتیزم اندازه گیری شده در اثر میزنر (Meissner) می شود. در دماهای پایین، این باعث مصرف انرژی محدودی می گردد، ، برای جداسازی یكی از جفت ها در هم چگال؛ این شكاف انرژی است كه توسط London پیش بینی شده بود؛ و اثرات آن بر روی خواص ابررسانایی توسط John Bardeen در سال های قبل از كشف و ارائه ی تئوری میكروسكوپی به صورت رخدادی بررسی شده بود.بنابراین، حالت ابررسانایی توسط دو جزء تشكیل دهنده مجزا مشخص می شود : یك ابرمیدان (superfield) ، هم چگال، و یك سیال معمولی تشكیل شده از تحریكات تك ذره ای كه از جدا شدن از هم هم چگال در دماهای محدود نتیجه می شود. quasiparticle های تحریك شده كه سیال معمولی را تشكیل می دهد، در پاسخ به میدان های خارجی ، اثرات منسجم معلوم و مشخصی را از خود نشان می دهند، پدیده ی انسجام كه یكی از مشخص كننده های تئوری جفت كننده ی BCS می باشد، اما وگرنه بصورت معمولی رفتار می كنند، كه در آن با یكدیگر، با فونون ها ، و با دیواره های ظرف شامل آن ها برخورد می كنند. طول بنیادی كه رفتار منسجم در آن می تواند اتفاق بیافتد، طول انسجام (coherence length) ، چند هزار برابر فاصله ی بین ذرات داخلی می باشد. برای درك كردن آن چه اتفاق می افتد، در نظر گرفتن قیاس با یك زمین رقص پر شده از زوج های رقاص كه هماهنگ با موزیك حركت می كنند، می تواند كمك كننده باشد. در حالت عادی، زوج ها مرتبا با یكدیگر برخورد می كنند، اما در حالت ابررسانایی، آن زوج هایی كه تعلق به هم چگال دارند، دارای یك قید و بند نامرئی می باشند كه به آن ها اجازه می دهد تا به راحتی به حول سالن رقص رقص كنند(a la Rogers And Astaire) و پرواز كنند. اگر زوج های جدا كننده ای وجود دارند؛ فقط منفردهای تحریك شده ی غیر متصل هستند كه با یكدیگر و دیوار ه ی سالن رقص برخورد می كنند. تبدیل به ابررسانایی BCS اساسا متفاوت از آن چه ممكن است اگر زوج ها بالای تشكیل شده باشند، سپس متراكم شوند، اتفاق بیافتد، می باشد. و در مورد اخر، طول انسجام چندین برابر فضای بین ذره ای می باشد و بستگی به ندارد.

نظریه ی BCS اثر قابل توجهی در زمینه های دیگر فیزیك داشت. این نظریه پیش بینی می كند كه هر سیستم دارای فرمیون های تعامل كننده، می تواند به حالت ابررسانایی برود ، یا در صورت فرمیون های بدون بار، یك تبدیل ابرسیالی، یكی دارای تعامل جذاب برای فرمیون های شبكه ای در مجرای تكانه ی زاویه ای ارائه دهد. كمی بعد از انتشار نتایج اولیه ی تئوری BCS ، Aage Bohr ، Ben Mottleson و David Pines ، در حال كار در كپنهاگ در سال 1957 ، نشان دادند كه نوترون ها و پروتون های موجود در هسته ی اتم به خاطر جذب دوسویه شان جفت می شوند، و اینكه می توان معمای قدیمی پدیده ی هسته ای را توجیه كند، در حالی كه Yoichiro Nambu در شیكاگو كشف كرد كه ترتیب جفت كردن BCS برای پدیده های انرژی بالا در فیزیك ذرات ابتدائی پیدا می شود. حضور ابرسیالات پروتون و نوترون در پالسارهای (pulsar) تازه كشف شده در 1989 احضار شد. (توسط Gordon Baym ، Chris Pethick ، Mal Ruderman ، و David Pines ) به عنوان توضیح برای زوال طولانی مدت glitch ها (پرش های ناگهانی در مدت چرخش پالسار) كه در پالسارهای Vela و Crab در سپتامبر و مارس 1969 كشف شده بود. از آنجایی كه اتمهای هلیوم 3 فرمیون هستند و دارای جذب برد بالا می باشند، به طور وسیعی انتظار می رفت كه هلیوم 3 به تبدیل حالت ابرسیال برود، و جامعه فیزیك دمای پایین به دنبال نشانه هایی از آن تبدیل گشت، یك جستجویی كه برای Doug Osheroff ، David Lee ، و Bob Richardson در دانشگاه كورنل موفقیت آمیز بود، و در سال 1972 كشف كردند كه هلیوم 3 چند میلی درجه بالای صفر مطلق ابر سیال می شود.

نیازی به گفتن نیست كه، الهام شده توسط تئوری BCS ، آزمایشگر های مواد منقبض، رده ی جدیدی از فلزات ابررسانا را معرفی كردند، و مشتاقانه به دنبال موادی كه در دماهای نسبتا بالاتر از دماهای تبدیل كمتر از 20 كلوین، كه فلزات ابررسانای معمولی را مشخص می كند، ابررسانا می شوند، گشتند. دو رده ی جدید از ابررساناها كشف شدند : مواد الكترون سنگین ، CeCu2Si2 ، UPt3 ، و UBe13 كه توسط Frank Steglich ، Zackary Fisk ، Jim Smith ، و Hans Ott در آلمان، در حال كار كردن در Los Alamos ، به عنوان ابررسانا در دماهای حدود یك كلوین شناخته شدند. در حالی كه Daniel Jerome در پاریس ابررسانایی را در فلزات آلی تقریبا دو بعدی در حدود ده درجه ی كلوین را كشف كرد. اگرچه ، باوجود تلاش های زیاد Bend Matthias ، كه حدود صد ماده ی ابررسانا را كشف كرد، هنوز حد بالایی برای دمای مواد ابررسانا وجود داشت : 23 درجه ی كلوین ، درجه ی حرارتی كه از مكانیسم به كار رفته برای ابررسانایی ناشی می شد، تعامل فونون-القائی.

ابررساناهای دمابالا

زمینه ای جدید در علم فیزیك آغاز شد هنگامی كه در 27 ژانویه 1986 میلادی، Bednorz و Mueller یك افت مقاومت تیز را در La2-mBamCuO4 در دمای حدود 30 درجه ی كلوین مشاهده كردند. آن ها مقاله ای در این باره به یكی از روزنامه های معتبر اروپائی، ZeitSchrift fur Physik فرستادند و مطالعه ی خود را برروی این ماده ی جدید ادامه دادند تا اطمینان حاصل كنند كه تغییر مقاومت ناگهانی، تبدیل به یك حالت ابررسانایی بوده. تا ماه اكتبر، آن ها اثر مایزنر (The Meissner Effect) را مشاهده كرده بودند ، بنابراین یك ماده ابررسانای جدید را به ثبت رساندند. نتایج آن ها در دنیا پخش شد، یك ماه بعد، Tanaka و همكاران وی در توكیو نتایج Bednorz-Muller را تأیید نمودند (یك تأییدیه در یكی از روزنامه های ژاپنی چاپ شد) در حالی كه كار آن ها در پكن توسط Zou و همكارانش پشتیبانی و حمایت شد. (كار آنها در دسامبر در یكی از روزنامه ها توضیح داده شد.) در ماه بعد، در نتیجه ی یك تلاش همكارانه بین Paul Chu از دانشگاه هوستون و Mang-Kang Wu از دانشگاه آلاباما، عضو جدیدی از خانواده مواد ابررساناهای دما بالا كشف شد ، YBa2Cu3O7 كه دارای بالای 70 درجه ی كلوین بود. بنابراین فقط در طی یك سال از كشف اصلی، دمای انتقال به حالت ابررسانایی افزایش سه برابر داشت. و واضح بود كه انقلاب ابررسانا ها هنوز شروع شده است. یك جشن برای بوجود آمدن این فصل در علم فیزیك طی یك جلسه در نیویورك توسط انجمن فیزیك دانان آمریكایی در یك بعد از ظهر یكی از روزهای مارس 1987 برگزار شد. این جشن 3000 شركت كننده داشت و 3000 نفر نیز این جشن را از طریق تلویزیون مشاهده می كردند ...

در طول شش سال بعد، چند خانواده ی دیگر از ابررسانا ها كشف شدند، كه شامل سیستمهای مبنی بر -Tl و -Hg می باشند، كه به ترتیب دارای حداكثر 120 كلوین و 160 كلوین می باشند. همگی آنها یك ویژگی كه موجب روی دادن ابررسانایی دمای بالا بود، داشتند، وجود پلین های (planes) شامل اتم های O و Cu ی كه جدا شده بوسیله ی مواد پل كننده ای كه به عنوان حامل بار عمل می كنند هستند. در طی این مدت، حدود چند هزار مقاله در رابطه با ابررسانا ها منتشر گشت (و در زمان حاضر هم منتشر می شود) بدیهی گشت كه ابررسانایی دمای بالا وابسته به مسائل بزرگ فیزیك بسیاری در طول دهه ی گذشته ی این قرن بود. حداقل چهار دلیل برای علاقه ی شدید به بالا وجود دارد : یك علاقه ی علمی ذاتی و باطنی، طبیعت انتقال نظم و ترتیبی، (این به حدود جدا كننده ی دانشمندان و شیمی دان های مواد از طریق فیزیكدان های نظری و تجربی می رسد) ؛ كاربردهای بالقوه برای مواد ی كه دردماهای بالاتر از 77 كلوین (دمایی كه نیتروژن مایع می شود) به عنوان ابررسانا عمل می كنند، كاربردهایی كه می توان در سیستم های تلفن سلولی اعمال كرد، خطوط انتقال ابررسانایی، ماشین های MRI استفاده كنند از مغناطیس های بالا، میكروویو های استفاده كننده از مواد ابررسانای جدید، سیستم های ابررسانا/نیمه رسانای هیبریدی؛ و در آخر پیدا كردن ابررسانای دمای اتاق.

برخی مشخصه ها و خواص ابررسانا های جدید عبارتند از اینكه آن ها سرامیك، و اكسید های ورقه ورقه می باشند كه در دمای اتاق فلزات ضعیف و بی ارزشی هستند، و مواد متفاوتی برای كار كردن هستند. شامل كمی حامل بار در مقایسه با فلزات معمولی هستند، و خواص انیسوتوروپیك (Anisotropic) الكتریكی و مغناطیسی هستند كه بطور قابل ملاحظه ای حساس به محتوای اكسیژن می باشند. در حالی كه، نمونه های ابررسانای مواد 1-2-3 ، Yba2Cu3O7 ، را یك دانش آموز دبیرستانی نیز می تواند در یك اجاق میكروویو تولید كند، كریستال های یكتای دارای درجه ی خلوص بالا برای تشخیص خواص فیزیكی ذاتی موادی كه ساختن آن ها به طور خیلی زیادی سخت است، لازم است.

در ادامه ی یك دهه كار، یك وفاق عمومی بر سر این موضوع وجود دارد كه رفتار تحریكات ابتدائی در پلین های (planes) ، Cu-O یك كلید برای درك خواص حالت عادی این ابررساناها ارائه می دهد، و اینكه آن خاصیت غیر حالت عادی شبیه به حالت عادی ابررساناهای معمولی و دمای پایین می باشند. همانطور كه می توان در جدول زیر مشاهده كرد، هم پاسخ بار (charge respons) - (اندازه گیری شده در مشاهدات نوری و انتقالی) و هم پاسخ اسپین (اندازه گیری شده در مشاهدات قابلیت ایستا، تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) و مشاهدات متفرق ساختن غیر الاستیك نوتورون ها (INS)) مواد بالا بسیار متفاوت از همتاهای دمای پایین خود می باشند.

علاوه بر این، اساسا هیچ یك از خواص حالت ابررسانایی ، با خواص یك ابررسانای عادی یكی نیست، كه در آن جفت كردن BCS در حالت خط واحد اتفاق می افتد و شكاف انرژی ذرات quasi در دماهای پائین و ایزوتپریك، هنگامی كه یكی حول سطح فرمی حركت می كند، محدود می باشد. علی رغم این حقیقت كه چیزی نسبتا جدید و متفاوت نیاز است تا رفتار حالت عادی را درك كنیم، یك توافق و اجماع وجود دارد كه تئوری BCS ، اگر بطور مناسبی تغییر یابد، یك توضیح راضی كننده برای انتقال به حالت ابررسانایی و خواص مواد در آن حالت، می دهد .

یك توافق تقریبی همچنین در رابطه با اجزای سازنده ی پایه ی لازم برای درك ابررساناهای دمای بالا وجود دارد. آن ها را می توان به صورت زیر خلاصه كرد :

عمل ابتدا در پلین های Cu-O رخ می دهد، پس در تخمین اول، برای متمركز كردن هم توجه نظری و هم عملی روی رفتار تحریكات پلانار، و همچنین برای متمركز كردن بر روی دو سیستم مطالعه شده ، سیستم 1-2-3 (YBa2Cu3O7-m) و سیستم 2-1-4 (La2-mSrmCuO4) ، كفایت می كند.

در دماهای پائین هر دو سیستم عایق های آنتی فرو مغناطیس می باشند با یك آرایه ی محلی +Cu2 كه علامت آن در داخل شبكه متناوبا عوض می شود .

شخصی سوراخ هایی را بر روی پلین های Cu-O سیستم 1-2-3 با تزریق اكسیژن ایجاد می كند، برای سیستم 2-1-4 این كار با تزریق استرونتیوم انجام می گیرد. سوراخ های حاصل روی مقر پلانار اكسیژن ، با اسپین های نزدیك +Cu2 پیوند پیدا می كنند، و حركت را برای دیگر اسپین های +Cu2 آسان می سازد، و در روند، نابود كردن همبستگی های AF طولانی برد در عایق.

اگر كسی حفره های كافی را ایجاد كند، سیستم حالات پایه ی خود را از یك عایق به یك ابررسانا تغییر می دهد.

در حالت عادی مواد ابررسانا ، اسپین های +Cu2 سیار، اما محلی یك مایع فرمی غیر مرسوم را تشكیل می دهند ، با اسپین های quasiparticle های نشان دهنده ی ارتباطات AF قوی، حتی برای سیستم های در سطح تخدیر كه از حدی كه ماكزیمم می باشد، تجاوز می كند ، موادی كه با نام فرا-تخدیر شناخته می شوند. اگر چه هیچ توافقی بین تئوریسین ها بر سر این كه چگونه یك توضیح نظریه ای دارای جزئیات برای curpate ها ارائه كنند. راهكرد هایی كه برای اینكار امتحان شد، را می توان به از پایین به بالا- یا از بالا به پایین رده بندی كرد. در راهكرد از بالا به پائین، یكی مدلی را كه از قبل وجود داشته را انتخاب می كند و راه حل هایی برای انتخاب های دیگر پارامترهای مدل را توسعه می دهد ، سپس تست می كند كه آیا این راه حل به نتایج منطبق بر شواهد و تجربیات رسیده اند یا نه. در یك راهكرد از پائین به بالا، یك از نتایج تجربی آغاز می كند و تلاش می كند تا یك توضیح پدیده ای از یك زیر مجموعه از نتایج تجربی را بدست آورد. سپس چند آزمایش دیگر را متناسب با توضیح بدست آمده انجام می دهد ، با ترتیب میكروسكوپی برای هر آزمایش، تا اینكه به نتایج مورد انتظار از محاسبات و مشاهدات دست بیابد. و فقط آن وقت، بدنبال یك مدل همیلتونی كه راه حلش ممكن است تئوری میكروسكوپی كامل را ارائه دهد، بگردد و جستجو كند. Jonh Bardeen از این راهكرد دوم برای كار كردن بر روی ابررساناهای عادی و مرسوم استفاده كرد ، و در دانشگاه اوربانا از روش و راهكرد او برای كار برروی ابررسانای دمای بالا استفاده كردند.

منبع :superconductivity.persianblog.com & mollasadra



http://www.allengineering.ir/showarticle.aspx?id=36

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :