پدیده ابر رسانایی و ابر رساناهای دما بالا (HTS)

پدیده ابر رسانایی و ابر رساناهای دما بالا (HTS):
با پیشرفت روزافزون علم و گسترش جمعیت، مصرف انرژی روز به روز افزایش یافته و نگاه ها به سوی انرژی الکتریکی معطوف شده است.

در این میان، ماشین های الکتریکی در نقش مبدل های انرژی الکترومکانیکی، از اهمیت ویژه ای برخوردارند. امروزه نیاز به ماشین هایی با نویز و سر و صدای کمتر، توان بیشتر و وزن و حجم کمتر بسیار احساس می شود.

پیشرفت ابررساناها و ابررساناهای دمابالا (High Temperature Superconductor) یا HTS سبب به وجود آمدن گونه ای از ماشین های الکتریکی گردان (ابرموتورها و ابرژنراتورها) شده است که به طور کلی ابرماشین نامیده می شوند.

ابرماشین ها در مقایسه با ماشین های الکتریکی مرسوم با مشخصات نامیِ برابر، ارزان تر، سبک تر، فشرده تر و کارآمدتر هستند و از همه مهم تر، شرایط عملکرد پایدار را در سیستم قدرت میسر می کنند. 

در سال 1911 میلادی یک محقق هلندی پی برد که وقتی جیوه تا دمای 4 کلوین سرد شود، کاهش مقاومت آن در مقابل جریان الکتریکی ادامه می یابد.

این حالت را خاصیت ابررسانا نامیده اند. در دمای معمولی، فلزات در مقابل حرکت الکترون ها دارای مقاومت هستند، ولی اگر دمای فلز کاهش یابد، مقاومت آن در برابر حرکت الکترون ها نیز کم می شود؛ به طوری که هرچه فلز سردتر شود، مقاومت آن در مقابل حرکت الکترون ها نیز کمتر می شود تا به صفر برسد.

دلیل این امر آن است که با برقراری جریان برق در فلز (سیم)، اتم های آن به شدت لرزش یافته و باعث پراکنده شدن الکترون ها می شوند که این حالت نوعی مانع در مقابل حرکت الکترون ها ایجاد می کند.

با سرد شدن فلز ارتعاش اتم ها کمتر شده و هرچه سردتر شود، ارتعاش اتم ها نیز کمتر می شود و در نتیجه، حرکت الکترون ها بهتر صورت می گیرد و اگر دمای فلز باز هم کاهش داده شود، در دمای مشخص هر فلز حرکت اتم ها به کلی متوقف خواهد شد.

در این مرحله، مقاومت فلز ناگهان صفر شده و الکترون ها در مدار بدون مقاومت حرکت می کنند. این خاصیت در آلیاژهای مختلف فلزات و مواد رسانا متفاوت است.

ابررساناها معمولاً در دمای چند درجه بالاتر از صفر مطلق (273- درجه سانتی گراد) ابررسانا می شوند. این امر مستلزم سرد کردن فلز تا حدود صفر مطلق است. مواد ابرسانا در دمای بالا (HTS) موادی هستند که به مراتب، بالاتر از صفر مطلق ابررسانا می شوند؛ مثلاً در دمای 190- درجه سانتی گراد.

در نتیجه، این مواد مناسب تر از سایر موادی هستند که باید در دمای صفر مطلق سرد شوند. قبلاً برای سرد کردن مواد ابررسانا از هلیوم مایع استفاده می شد که مایعی بسیار گران و کمیاب است.

در سال 1986 میلادی تحقیقات نشان داد که آلیاژ مس با نوعی اکسید را می توان با نیتروژن مایع تا دمای 196- درجه سانتی گراد سرد کرد. این مایع ضمن اینکه فراوان و ارزان است، کاربرد آن نیز برای این منظور بسیار ساده خواهد بود.

یک ابررسانای ایده آل، ماده ای است که در دمایی پایین تر از دمای بحرانی دارای دو مشخصه اساسی مقاومت صفر و دیامغناطیس کامل است.

خاصیت دوم (خاصیت دیامغناطیس کامل مواد ابررسانا) به این معناست که ماده ابررسانا اجازه ورود و نفوذ یک میدان مغناطیسی خارجی اعمال شده را به درون خود نمی دهد.