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

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

ابر رسانایی و قطارهای سریع السیر

ابر رسانایی به تركیب جالب خواص الكتریكی و مغناطیسی فلزات مشخصی كه در درجات حرارت خیلی پایین در آنها به وجود می‌آید اطلاق می شود. یك چنین دمایی اولین بار در سال 1908 وقتی كمرلینگ اونز در دانشگاه لیدن موفق به تولید هلیوم مایع گردید حاصل شد كه با استفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود یك درجه كلوین برسد.

یكی از اولین بررسی هایی كه اونز با این درجه حرارت پایین قابل دسترسی انجام داد مطالعه تغییرات مقاومت الكتریكی فلزات بر حسب درجه حرارت بود. چندین سال قبل از آن معلوم شده بود كه مقاومت فلزات وقتی دمای آنها به پایین تر از دمای اتاق برسد كاهش پیدا می كند. اما معلوم نبود كه اگر درجه حرارت تا حدود كلوین تنزل یابد مقاومت تا چه حد كاهش پیدا می كند. آقای اونز كه با پلاتینیم كار می كرد متوجه شد كه مقاومت نمونه سرد تا یك مقدار كم كاهش پیدا می كرد كه این كاهش 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 كه در درجه حرارت خیلی پایین مقاومت جیوه تا حد غیر قابل اندازه گیری كاهش پیدا می كند كه البته این موضوع زیاد شگفت انگیز نبود اما نحوه از بین رفتن مقاومت غیر منتظره می نمود.موقعی كه درجه حرارت به سمت صفر تنزل داده می شود به جای اینكه مقاومت به ارامی كاهش یابد در درجه حرارت 4 كلوین ناگهان افت می كرد 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 كرد كه پایین تر از 4 كلوین جیوه به یك حالت دیگری از خواص الكتریكی كه كاملا با حالت شناخته شده قبلی متفاوت بود رفته است و این حالت تازه (( حالت ابر رسانایی )) نام گرفت.

بعدا كشف شد كه ابررسانایی را می توان از بین برد ( یعنی مقاومت الكتریكی را می توان مجددا بازگردانید.) و در نتیجه معلوم شد كه اگر یك میدان مغناطیسی قوی به فلز اعمال شود این فلز در حالت ابررسانایی دارای خواص مغناطیسی بسیار متفاوتی با حالت درجه حرارتهای معمولی می باشد.

تاكنون مشخص شده است كه نصف عناصر فلزی و همچنین چندین آلیاژ در درجه حرارت های پایین ابر رسانا می شوند. فلزاتی كه ابررسانایی را در درجه حرارت های پایین از خود نشان می دهند ( ابر رسانا ) نامیده می شوند. سالهای بسیاری تصور می شد كه تمام ابررسانا ها بر طبق یك اصول فیزیكی مشابه رفتار می كنند. اما اكنون ثابت شده است كه دو نوع ابررسانا وجود دارد كه به نوع I و II مشهور می باشد. اغلب عناصری كه ابررسانا هستند ابررسانایی از نوع I را از خود نشان می دهند.در صورتی كه 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.

همانطور که می دونید در مواد به طور طبیعی اگر درون آنها جریانی برقرار بشه الکترونها در مسیر میدان الکتریکی جاری می شند.و می دانیم در دماهای معمولی ارتعاشات اتمی وجود دارند و الکترونها در اثر برخورد با آنها انرژی از دست می دهند این خاصیت مقاومت الکتریکی نام دارد.مقاومت رسانا ها کم نیم رسانا ها متوسط و نا رسانا ها بی نهایت است.در سال 1911 کامرینگ خاصیت ابر رسانایی در مواد رو کشف کرد و بعدها در سال 1933 با کار های مایسنر این شاخه از فیزیک پیشرفت کرد در بعدها با رسیدن به تکنولوژی ساخت ابر رسانا های دمای بالاتر(چون مواد معمولی در دمایی نزدیک به صفر کلوین ابرسانا می شدند که برای این کار نیاز به هیدروژن و هلیم مایع است و پر هزینه است) ساخت ابر رسانا ها خیلی کم هزینه تر شد.اما ابر رساناها به چه دردی می خورداز ابر رساناها در ساخت آهن رباهای ویژه طیف سنجهای رزونانس مغناطیسی هسته وعكسبرداری تشدید مغناطیسی هسته و تشخیص طبی ساخت ژنراتورهایی با حجم هایی تا 6 برابر کمتر و ساخت کلید های قطع و وصل جریانهای بسیار بالا یا بسیار پایین استفاده می شود.یکی از کاربردهای عالی ابر رسانا ها استفاده ازآنها توسط ژاپنی ها در ساخت قطار های سریع السیربود که منجر با ساخت قطار هایی شد که رو بالشتک های هوا حرکت می کردند(اصطکاک به طور چشم گیری کاهش پیدا می کند) و تا سرعت هایی نزدیک 600 کیلومتر در ساعت می رسند(با چنین سرعتی می توان در کمتر از 2 ساعت از اورمیه به تهران سفر کرد). با این مقدمه به ذکر مقاله کوتاهی درموردابرسانایی می پردازیم.


ابررسانایی : superconductivity

اگردمای فلزات مختلف را تا دمای معینی(دمای بحرانی) پایین آوریم پدیده شگرفی درآنهااتفاق می افتد كه طی ان به ناگهان مقاومتشان را در برابرعبور جریان برق تا حد صفراز دست خواهند داد .وتبدیل به ابررسانا خواهند شد.(البته موادی مانند نقره نیز هستند كه مقاومت ویژه شان حتی در دمای صفر درجه كلوین نیز صفر نمی شود).هرچند در این دما میتوان بسیاری از مواد را ابر رسانا نمود محققا ن برای رسیدن به چنین دمایی مجبورند از هلیم مایع ویا هیدرژن استفاده كنند كه بسیار گرانند .
امروزه ابر رسانایی را در موادی ایجاد می كنند كه دمای بحرانیشان زیادتر از ۷۷ درجه كلوین است كه برای رسیدن به چنین دمایی از ازت مایع استفاده می كنند كه نقطه جوشش ۷۷ درجه كلوین است.


تاریخجه ابررسانایی :
ابررسانایی برای اولین باردر سال ۱۹۱۱ توسط هایك كامرلینگ اونس(۱۹۲۶-۱۸۵۳)مطرح گردید. وی دمای یك میله منجمد جیوه ای را تا دمای نقطه جوش هلیم مایع(۴.۲ درجه كلوین )پایین اوردد و مشاهده نمود كه مقاومت ان ناگهان به صفر رسید. سپس یك حلقه سربی را در دمای ۷ درجه كلوین ابررسانا نمود و قوانین فارادی را بر روی ان ازمایش كردومشاهده نمود وقتی با تغییر شار در حلفه جریان القایی تولید شود.حلقه سربی برعكس رسانا های دیگر رفتارمی نمایدیعنی پس از قطع میدان تا مادامیكه در حالت ابر رسانایی قرار داردجریان اكتریكی را حفظ می كند. به عبارتی اگریك سیم ابررسانا داشته باشیم پس از بوجود امدن جریان الكتریكی دران بدون مولد الكتریكی ( مثل باطری یا برق شهر )نیز می تواند حامل جریان باشد.
اگر در همین حالت میدان مغناطیس قوی در مجاورت سیم ابررسانا قرار دهیم ویا دمای سیم را با لاتر از دمای بحرانی ببریم جریان در ان بسرعت صفر خواهد شد چون دراین حالتها سیم را از حالت ابررسانایی خارج كرده ایم .اقای اونس با همین كشف جایزه نوبل فیزیك در سال ۱۹۱۳ را از ان خود نمود.در عكس بالا اونس و همسرش نشسته و دوستان دانشمند مانند البرت انیشتین در پشت سر وی قرار دارند.

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 مطلق باید 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


اثرمایسنر :
سپس در سال ۱۹۳۳ Meissner وOschsenfeld نشان دادند كه وقتی ماده مورد ازمایش قبل از ابررسانا شدن در میدان مغناطیسی باشد شار از آن عبور میكند ولی وقتی در جضور میدان به دمای بحرانی برسدو ابررسانا گردد دیگر هیچگونه شار مغناطیسی از ان عبور نمی كند تبدیل به یك دیامغناطیس كامل می شود كه شدت میدان درون ان صفر خواهد بود.









فیزیكدانان مختلف همواره سعی كرده بودند به موادی دست پیدا كنند كه اولا دردمای پایین ابرسانا شوند و ثانیا برای فرایند سرمایش بجای هلیم پر هزینه از نیتروژن مایع استفاده شود.تا بدن ترتیب بتوانند كابلهای مناسب برای حمل و انتقال برق ویا موتور الكتریكی بسازند.


مغناطیس استوانه ای روی یك قطعه ابررسانا كه توسط نیتروژن خنك شده شناور است زیرا ابررسانا طبق خاصیت یعنی اثر مایسنر می توانند خطوط میدان مغناطیس را به خارج پرتاب كنند دارد.و همانطور كه میبینم قرص مغناطیسی را شناور نگه دارندو بدین ترتیب یك موتور چرخان ساخته میشود.



بلاخره در سال 1986 دو فیزیكدان سویسی به نامهای George bednorz-Alex Muller از آزمایشگاه زوریخ توانستند ابرسانایی ازجنس سرامیك اكسید مس در دمای بالا 60 درجه كلوین بسازند كه برای فرایند سرمایش از نیتروژن مایع استفاده میشد كه بسیار كم هزینه بود. بدین ترتیب دو گام مهم برای ساخت كابلهای ابررسانایی برداشته شد و لی سرامیك اكسید مس برای ساخت كابل شكننده بود بنابراین تلاشهای دیگری آغاز شد.كه تا به امروز هم ادامه دارد دانشجویان و دانشمندان ایرانی هم در این عرصه بسیار فعال هستند.

طبق گزارش ایرنا سعید سلطانیان به همراه یك گروه علمی در دانشگاه ولو نگوگ ایالت نیو ساوت ولز استرالیا به سرپرستی پروفسور دو ابررسانایی ساختند كه بالاترین ركورد را در میان ابررسانا دارد این ابررسانا به شكل سیم یا نوار ی از جنس دی برید منیزیم با پوششی از آهن است كه شكل میكروسكوپی آن در پایین نشان داده شده است.




كاربردهای مختلف ابررساناها :
از ابررسانایی میتوان در ساخت آهن رباهای ویژه طییف سنجهای رزونانس مغناطیسی هسته و عكسبرداری تشدید مغناطیسی هسته و تشخیص طبی استفاده نمود و همچنین چون با حجم كم جریانهای بسیار بالا را حمل می كنند می توان از آنها در ساخت موتورهای الكتریكی (ژنراتورها- كابلها) استفاده نمود كه حجمشان 4 تا 6 برابر كوچكتر از موتورهای فضاپیمای امروزی هستند.

میتوان از آهن رباهای ابررسانا در ساختمان ژیروسكوپ برای هدایت فضا پیما استفاده نمود.

می توان از نیم رسانا ها در ساخت قطارهای شناور استفاده نمودمانند قطار سریع السیر ژاپنی ها كه در سال 2000 میلادی ساخته شد وبا با سرعت 581 km/h حركت می كرد در این بجای قطار بجای استفاده از چرخ از میدان مغناطیسی استفاده شده است.


از قطارهای سریع بیشتر بدانیم


به دلیل وجود نیروی محرکه اصلی این سیستم در ریل آن، به جای خود قطار، این قطارها بسیار سبک و کنترل آنها در سراشیبی ها بسیار آسان می باشد. ریل های استفاده شده در این سیستم نیز از مواد سبک ساخته شده است.

Maglev ( حمل و نقل شناور مغناطیسی ) نام تکنولوژی جدیدی می باشد که با توجه به مشخصه های برجسته اش انقلابی در صنعت حمل و نقل ایجاد خواهد کرد. "ماگلو" نوعی از حمل و نقل می باشد که قطار را به طور شناور و کاملا جدا از زمین به وسیله نیروی الکترومغناطیسی به طرف جلو می راند. این روش جدید سریع تر، راحت تر و مطمعن تر از روش حمل و نقل کنونی، همراه به چرخ های مرسوم می باشد..
به دلیل وجود نیروی محرکه اصلی این سیستم در ریل آن، به جای خود قطار، این قطارها بسیار سبک و کنترل آنها در سراشیبی ها بسیار آسان می باشد. ریل های استفاده شده در این سیستم نیز از مواد سبک ساخته شده است. تکنولوژی ماگلو ( Maglev ) این اجازه را به او می دهد که به راحتی به سرعت هواپیما ها ( ۵۰۰ تا ۵۸۰ کیلومتر ) دست یابد.
قطارهای الکترو مغناطیسی از سال ۱۹۸۴ وجود داشته اند، ولی محدودیت های اقتصادی و علمی مانع از رشد سریع آنها شده است. اولین قطار الکترومغناطیسی تبلیغاتی IOS نام داشت ( به معنی اولین بخش عملیاتی ) که در شانگهای چین مسافران را در یک مسیر ۳۰ کیلومتری ( ۱۸۶ مایل ) با سرعت ۴۳۱ کیلومتر بر ساعت ( ۳۶۸ مایل ) در عرض ۷ دقیقه و ۳۰ ثانیه به فرودگاه می رسانید.

تکنولوژی :
در حالت کلی دو نوع ماگلو وجود دارد:
۱- سیستم تعلیق الکترومغناطیسی ( EMS )
۲- سیستم تعلیق الکترو دینامیکی ( EDS )
در سیستم تعلیق الکترو مغناطیس، قطار با داشتن الکترومغناتیس بسیار قوی بر روی ریل فشار آورده که همین عمل باعث معلق ماندن آن می شود. این مغناتیس ها در جهت ریل تنظیم شده و بوسیله کنترل باز خورد، میزان تعلیق خود را محاسبه و حفظ می نماید.
سیستم تعلیق الکترودینامیک به شیوه دیگری عمل می کند بدین صورت که هم ریل و هم قطار دارای مغناطیس می باشند که قطار به وسیله نیروی دافعه قطب های هم نام ارتفاع و فاصله خود را از ریل نگه می دارد.
قسمت مغناطیس قطار از الکترومغناطیس های به هم پیوسته ( مثل ماگلو JR ) یا از مغناطیس های پایدار تشکیل شده است. قسمت مغناطیس ریل ها نیز از تحریک منطقه توسط سیم پیچ های مغناطیسی به وجود می آید.
درسرعت های پایین سیم پیچ های کنونی توانایی تحمل وزن قطار را دارا نمی باشند و باید برای ثبات آنها در هنگام ایست کامل و در سرعت های پایین چرخ ها و یا وسایل شبیه آن در زیر قطار وجود داشته باشند تا قطار به سرعت های بالا دست یافته و از زمین جدا شود. برای این منظور سیم پیچ های بکار رفته در ریل ها، باعث حرکت رو به جلو قطار شده و همچنین با نیروی مغناطیسی فوق العاده خود باعث تعلیق قطار می شوند. همچنین این سیم پیچ ها یک موتور طولی نیز محسوب می شوند و حالت پیچشی آنها باعث بوحود آمدن یک جریان مداوم الکترو مغناطیس در کل ریل می شود.
و هم اکنون نگاهی داشته باشیم به مزایا و معایب تکنولوژی مالگو EMS ( سیستم تعلیق الکترو مغناطیسی ):
از مزایای این سیستم می توان مغناطیس بسیار نا چیز در درون و بیرون قطار، تکنولوژی بالا که می توان بوسیله آن به سرعت ۵۰۰ کیلومتر در ساعت دست یافت و عدم نیاز به چرخ یا نیروهای محرکه دیگر را نام برد.
از معایب آن نیز می توان به فاصله موجود میان قطار و ریل که خواهان بررسی بی درنگ توسط کامپیوتر برای ممانعت از برخورد آنها با یکدیگر می باشد اشاره کرد.

فوق هدایت گرهای EDS :
مغناطیس های بسیار قوی بر روی فوق هدایتگر نصب شده اند که فاصله زیاد ریل از قطار که منجر به دسترسی این قطار به سرعت ۵۸۱ کیلومتر شده است را باعث شده اند، و همچنین ظرفیت بار بسیار زیاد آن از مزایا این سیستم می باشد. یکی از همین قطارها در دسامبر سال ۲۰۰۵ به صورت تبلیغی از فوق هدایتگرها با درجه حرارت بالا در مغناطیس های خود استفاده کرد که آنها به وسیله مایع خنک کننده گران نیتروژن خنک می شدند.
از معایب این سیستم نیز می توان به عدم توانایی در برقراری ارتباط های تلفنی، عدم توانایی در برقراری ارتباط مسعولین قطار به واگن مسافران بوسیله سیستم صوتی داخل کابین ها و عدم توانایی در استفاده از وسایل الکترونیکی مثل ذخیره کننده های مغناطیسی و هاردیسک ها به علت وجود جریان مغناطیسی بالا در قطار اشاره کرد. همچنین این مشکلات و هزینه بالای این سیستم باعث باقی ماندن این تکنولوژی در مرحله تست شده است.

سیستم مغناطیسی پایدار EDS :
از مزایای این سیستم می توان به سیستم تعلیق بدون اشکال، عدم نیاز به قدرت برای فعال کردن مغناطیس ها، قرار گیری منطقه مغناطیسی در زیر قطار و توانایی ایجاد مغناطیس بالا در سرعت های بسیار پایین ( ۵ کیلومتر در ساعت ) برای تعلیق قطار نام برد. همچنین در صورت بروز مشکل، قطار قبل از ایست کامل به صورت کاملا آهسته و با ریتم یکنواخت سرعت خود را کم کرده تا کاملا متوقف شود و از معایب آن نیز می توان به نیاز آن به چرخ برای به حرکت در آوردن آن در هنگام ایست کامل و تکنولوژی کاملا جدید و در نتیجه تستی بودن آن اشاره کرد.
هیچ کدام از سیتسم های فوق هدایتگر و مغناطیس پایدار قادر به تعلیق قطار در وضعیت سکون نیستند، ولی با این حال سیستم مغناطیس پایدار قطار را در سرعت های پایین، نزدیک به ریل نگه می دارد، ولی در هر دو آنها به چرخ در هنگام سکون و سرعت های پایین نیاز هست. در حالی که EMS سیستم تعلیق الکترومغناطیس مجهز به هیچگونه چرخی نمی باشد.

نیروی محرکه :
سیستم تعلیق الکترومغناطیس قادر به ارائه تعلیق و نیروی پیش راننده بوسیله موتور طولی ( سیم پیچ ) می باشد، و این در حالیست که سیستم تعلیق الکترودینامیکی تستی قادر به معلق ساختن قطار بوسیله مغناطیس های نصب شده بر روی خود می باشد.

پایداری :
قدرت تحمل وزن مغناطیس هایی که تنها از الکترومغناطیس و پرمنگنات در آنها استفاده شده است به اندازه کافی نمی باشد، این تئوری را Earn Shaw بیان می کند. EMS بر پایه پایداری فعال الکترونیکی طراحی شده است. این چنین سیستم هایی بصورت پایدرا میزان فشار وارد بر مغناطیس را اندازه گرفته و الکترومغناطیس را تنظیم می کنند. همچنین با توجه به اینکه تمامی سیستم های تعلیق الکترودینامیک سیستم های متحرک هستند تئوری Earn Shaw در مورد آنها صادق نمی باشد.

مقایسه ماگلو با قطارهای مرسوم :
به علت عدم وجود تماس بین ریل و قطار در قطارهای مغناطیسی، اصطحکاک بسیار کمی آن هم تنها اصطحکاک بدنه قطار و هوا وجود دارد. مصرف قدرت قطارهای ماگلو برای هر مسافر بر کیلومتر در سرعت ۲۰۰ کیلومتر بر ساعت ۲۴% کمتر از قطارهای معمولی در سرعت ۲۰۰ کیلومتر بر ساعت می باشد.
به خاطر عدم حرکت ماگلو بر روی ریل، این قطارها محدودیت سرعت قطارهای معمولی را به خاطر تلرانس ریل و پیچ ها ندارند. سرعت این قطار ها هم اکنون در بعضی موارد به ۶۵۰ کیلومتر بر ساعت نیز رسیده است و پیش بینی می گردد سرعت آنها تا ۱۰۰۰ کیلومتر نیز افزایش یابد.
وزن الکترومغناطیس در طراحی EMS ها و EDS یک فاکتوربسیار مهم تلقی می شود، یک میدان مغناطیسی بسیار قوی نیز برای بلند کردن این قطار سنگین وزن مورد نیاز می باشد. در یک مقاله چاپ شده در سال ۲۰۰۴ که متعلق به "نجمن آکوستیک آمریکا" می باشد، چنین ذکر شده است که صدای تولید شده توسط این قطارها بسیار بیشتر از صدای تولیدی قطارهای معمولی با وجود تماس فولاد با فولاد می باشد.
تفاوت صدای این قطارها با قطارهای معمولی ۵ دسیبل ( ۷۸% ) می باش که عدد کمی نیست. قطارهای فوق سریع الکترومغناطیس خواستار بودجه هنگفتی برای به تولید رسیدن هستند، ولی می توان این هزینه را با هزینه ساخت قطار های معمولی و یا فرودگاه مقایسه کرد. ولی واقعیت دیگری نیز در مساله اقتصادی این قطارها وجود دارد، هزینه کمتر نگهداری و تعمیر این قطارها نسبت به قطارهای معمولی می باشد که همین یکی از نکات مثبت آنها به حساب می آید.
قطار سریع السیر شانگهای با هزینه ۱.۲ میلیون دلار ساخته شده و هزینه هر مسافر ۶ دلار برآورد شده است. این قطار روزانه توانایی جابجایی ۲۰.۰۰۰مسافر را داراست.

منابع :
www.hupaa.com
www.roshd.ir

www.aftab.ir

http://www.physics4all.blogfa.com/post-16.aspx

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 :