كيف تعمل الموصلات الفائقة؟ يشرح الفيزيائي معنى أن يكون لديك كهرباء خالية من المقاومة

يعمل العالم الحديث على الكهرباء ، والأسلاك هي التي تنقل تلك الكهرباء إلى كل ضوء ، وتلفزيون ، ونظام تدفئة ، وهاتف خلوي ، وكمبيوتر على هذا الكوكب. لسوء الحظ ، في المتوسط ​​، يتم فقدان حوالي 5 ٪ من الطاقة المولدة في محطة الفحم أو الطاقة الشمسية حيث يتم نقل الكهرباء من المحطة إلى وجهتها النهائية. هذا يعادل خسارة 6 مليارات دولار أمريكي سنويًا في الولايات المتحدة وحدها.

على مدى عقود ، كان العلماء يطورون مواد تسمى الموصلات الفائقة التي تنقل الكهرباء بكفاءة تقارب 100٪. أنا فيزيائي يبحث في كيفية عمل الموصلات الفائقة على المستوى الذري ، وكيف يتدفق التيار عند درجات حرارة منخفضة جدًا ، وكيف يمكن تحقيق تطبيقات مثل التحليق. في الآونة الأخيرة ، أحرز الباحثون تقدمًا كبيرًا نحو تطوير موصلات فائقة يمكنها العمل في درجات حرارة وضغوط طبيعية نسبيًا.

لمعرفة سبب كون هذه التطورات الحديثة مثيرة للغاية وما هو تأثيرها المحتمل على العالم ، من المهم أن نفهم كيفية عمل المواد فائقة التوصيل.

مادة خالية من المقاومة

الموصل الفائق هو أي مادة توصل الكهرباء دون تقديم أي مقاومة لتدفق التيار الكهربائي.

تتناقض هذه الخاصية الخالية من المقاومة للموصلات الفائقة بشكل كبير مع الموصلات القياسية للكهرباء – مثل النحاس أو الألومنيوم – والتي تسخن عندما يمر التيار خلالها. هذا مشابه لانزلاق يدك بسرعة عبر سطح أملس وملمس مقارنة بتحريك يدك على سجادة خشنة. تولد السجادة مزيدًا من الاحتكاك ، وبالتالي مزيدًا من الحرارة أيضًا. تستخدم المحمصات الكهربائية والمصابيح المتوهجة القديمة المقاومة لإنتاج الحرارة والضوء ، لكن المقاومة يمكن أن تسبب مشاكل للإلكترونيات. تتمتع أشباه الموصلات بمقاومة أقل من تلك الموجودة في الموصلات ، ولكنها لا تزال أعلى من مقاومة الموصلات الفائقة.

خاصية أخرى للموصلات الفائقة هي أنها تصد المجالات المغناطيسية. ربما تكون قد شاهدت مقاطع فيديو للنتيجة الرائعة لهذا التأثير: من الممكن رفع المغناطيس فوق موصل فائق.

كيف تعمل الموصلات الفائقة؟

جميع الموصلات الفائقة مصنوعة من مواد محايدة كهربائيًا – أي أن ذراتها تحتوي على إلكترونات سالبة الشحنة تحيط بنواة بعدد متساوٍ من البروتونات الموجبة الشحنة.

إذا قمت بتوصيل أحد طرفي السلك بشيء مشحون إيجابًا ، والطرف الآخر بشيء مشحون سالبًا ، فسيريد النظام الوصول إلى التوازن عن طريق تحريك الإلكترونات حوله. يؤدي هذا إلى محاولة الإلكترونات الموجودة في السلك التحرك عبر المادة.

في درجات الحرارة العادية ، تتحرك الإلكترونات في مسارات غير منتظمة إلى حد ما. يمكن أن ينجحوا عمومًا في التحرك عبر سلك بحرية ، لكنهم يصطدمون بين الحين والآخر بنواة المادة. هذه الاصطدامات هي التي تعيق تدفق الإلكترونات ، وتسبب المقاومة وتسخن المادة.

تهتز نوى كل الذرات باستمرار. في مادة فائقة التوصيل ، بدلاً من الدوران بشكل عشوائي ، تنتقل الإلكترونات المتحركة من ذرة إلى ذرة بطريقة تجعلها متزامنة مع النوى المهتزة. لا تنتج هذه الحركة المنسقة أي تصادمات ، وبالتالي لا توجد مقاومة ولا حرارة.

كلما زادت برودة المادة ، أصبحت حركة الإلكترونات والنواة أكثر تنظيمًا. هذا هو السبب في أن الموصلات الفائقة الموجودة تعمل فقط في درجات حرارة منخفضة للغاية.

فوائد الإلكترونيات

إذا تمكن العلماء من تطوير مادة فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة ، فإن الأسلاك والدوائر الكهربائية في الإلكترونيات ستكون أكثر كفاءة وستنتج حرارة أقل بكثير. ستكون فوائد هذا على نطاق واسع.

إذا تم استبدال الأسلاك المستخدمة في نقل الكهرباء بمواد فائقة التوصيل ، فستكون هذه الخطوط الجديدة قادرة على حمل ما يصل إلى خمسة أضعاف الكهرباء بشكل أكثر كفاءة من الكابلات الحالية.

غالبًا ما تكون سرعة أجهزة الكمبيوتر محدودة بعدد الأسلاك التي يمكن تجميعها في دائرة كهربائية واحدة على شريحة. غالبًا ما تكون كثافة الأسلاك محدودة بسبب الحرارة المهدرة. إذا تمكن المهندسون من استخدام أسلاك فائقة التوصيل ، فيمكنهم تركيب المزيد من الأسلاك في الدائرة ، مما يؤدي إلى إلكترونيات أسرع وأرخص.

أخيرًا ، مع الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة ، يمكن استخدام الرفع المغناطيسي لجميع أنواع التطبيقات ، من القطارات إلى أجهزة تخزين الطاقة.

مع التطورات الحديثة التي تقدم أخبارًا مثيرة ، فإن الباحثين الذين يبحثون في الفيزياء الأساسية للموصلية الفائقة ذات درجات الحرارة العالية وكذلك التقنيون الذين ينتظرون تطبيقات جديدة يولون اهتمامًا.