كهربية مواد PDF

‫لكية التكنولوجيا والتعلمي‬ ‫جامعه سوهاج‬ ‫كهربية مواد‬ ‫‪ELECTRICAL MATERIALS‬‬ ‫أعداد‬ ‫هبه أحمد محمود‪/‬د‬ ‫‪ 2024-2023‬م‬  ‫د ‪/‬هبه أحمد محمود‬...

‫لكية التكنولوجيا والتعلمي‬ ‫جامعه سوهاج‬ ‫كهربية مواد‬ ‫‪ELECTRICAL MATERIALS‬‬ ‫أعداد‬ ‫هبه أحمد محمود‪/‬د‬ ‫‪ 2024-2023‬م‬  ‫د ‪/‬هبه أحمد محمود‬ ‫الفصل السابع ‪ :‬المواد فائقة التوصيل‬ ‫الفصل السابع‬ ‫المواد فائقة التوصيل‬ ‫مقدمة‬ ‫يمكننا تقسيم المواد إلى فئات على أساس قدرتها على توصيل الكهرباء‪ ،‬فمعادن مثل النحاس‬ ‫وااللمنيوم والفضة تسمح لإللكترونات الحرة أن تنقل الشحنة الكهربائية‪ ،‬أما المواد العازلة‬ ‫كالخشب أو المطاط‪ ،‬فتتمسك باستمرار باإللكترونات بشكل محكم‪ ،‬مانعة تدفق التيار‬ ‫الكهربائي ‪.‬ط ّور علماء الفيزياء في أوائل القرن العشرين تقنيات مختبرية حديثة لتبريد المواد‬ ‫حتى تصل إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق‪ ،‬وبدأ البحث في كيفية تغيّر القدرة‬ ‫على نقل الكهرباء عند هذه الظروف المتطرّفة ‪.‬الحظ علماء الفيزياء شيئا رائعا لدى بعض‬ ‫العناصر البسيطة ‪ ،‬مثل الزئبق والرصاص‪ ،‬فهذه المعادن قادرة على نقل الكهرباء بمقاومة‬ ‫معدومة‪ ،‬عند درجة حرارة أقل من قيمة معينة‪ ،‬وبعد مرور عقود على هذا االكتشاف‪ ،‬اكتشف‬ ‫العلماء سلوكا مطابقا في آالف المر ّكبات‪ ،‬انطالقا من السيراميك ووصوال إلى األنابيب‬ ‫الكاربونية ال نصنف المادة بهذه الحالة اآلن على أنها معدن أو عازل ‪ ،‬بل نضعها في فئة ثالثة‬ ‫تُسمى بالمواد فائقة الموصلية ) ‪ ، ( superconductor‬التي تنقل الكهرباء بشكل مثالي ‪ ،‬مما‬ ‫يعني أن التيار الكهربائي المتدفق في سلك فائق التوصيل سيستمر في تدفقه بعد مليارات‬ ‫السنين في الدوائر الكهربائية دون أن يحدث أي تشتت أو ضعف ‪.‬إن ظاهرة التوصيلية الفائقة‬ ‫مثيرة من جميﻊ جوانبها إذا ما يتعلق بدراستها أو ما يتعلق بتطبيقاتها‪.‬فسلوكها الكهربي(عدم‬ ‫المقاومة للتيار( وسلوكها المغناطيسي )رفض المﺠال المغناطيسي( وهما السمتان البارزتان‬ ‫لها جعال منها مواد ذات تطبيقات ﻏير محصورة فمن المعلوم أن مقاومة التيار الكهربي في‬ ‫جميﻊ المواد العادية هي السبب في ضياع وفقدان الكثير من الطاقة الكهربائية وهي السبب‬ ‫أيضا في عطل كثير من األجهزة الكهربائية وارتفاع حرارتها‪.‬ومن جهة ثانية فالمﺠال‬ ‫المغناطيسي اعتاد على التغلغل في جميﻊ المواد العادية بدون استثناء‪.‬وأما المواد الفائقة‬ ‫فمقاومتها للتيار الكهربائي تصل إلى الصفرحيث ان الصفر ﻏبر مبالﻎ فيه من ناحية‪،‬ومن‬ ‫ناحية اﺧرى فالمﺠاالت المغناطيسية ال تستطيﻊ الدﺧول إلى جسم الموصل الفائق مادام‬ ‫‪2‬‬  ‫د ‪/‬هبه أحمد محمود‬ ‫الفصل السابع ‪ :‬المواد فائقة التوصيل‬ ‫بصورته الفائقة مما يبشر بتطبيقات كثيرة تعتمد على تلك الخاصية على وجه التحديد‪.‬ومن‬ ‫التطبيقات ما يتعلق بالنواحي العسكرية ومنها ما يتعلق بالنواحي المدنية والصحية‬ ‫والمواصالت وﻏير ذلك مما سوف نتطرق إليه ‪.‬‬ ‫المواد فائقة التوصيل ‪Super Conductors‬‬ ‫عادة تنخفض المقاومة الكهربائية للموصالت المعدنية تدريﺠيا مﻊ انخفاض درجة الحرارة ‪،‬‬ ‫وفي حالة الموصالت العادية كالنحاس او الفضة فإن الشوائب الموجودة في المادة تمنﻊ‬ ‫الوصول الى حد ادنى من المقاومة في درجات الحرارة المنخفضة لذلك عند االقتراب الى‬ ‫درجة حرارة تقارب درجة حرارة الصفر المطلق فإن عينة من النحاس مثال ال يمكن ان تصل‬ ‫لدرجة مقاومة تساوي الصفر ‪ ،‬اما في حالة الموصالت الفائقة فإن المقاومة تنخفض على نحو‬ ‫مفاجئ الى الصفر عندما يتم تبريد المادة الى درجة حرارة اقل من الدرجة الحرجة لهذه المادة‬ ‫ﻏالب ‪ 20‬كلفن او اقل‪.‬وتحدث حالة التوصيل الفائق في تشكيلة واسعة من المواد مثل المعادن‬ ‫الخفيفة كالقصدير وااللمنيوم والسيراميك والسبائك الثقيلة وبعض اشباه الموصالت لكن ال‬ ‫يمكن صنﻊ موصالت فائقة من المعادن النبيلة كالذهب والفضة‪.‬ليس للموصل الفائق اي‬ ‫مقاومة كهربائية على االطالق لذلك إذا أدﺧلنا تيارا كهربائيا في دائرة تتكون من سلك فائق‬ ‫التوصيل فإن التيار الكهربائي يستمر بالسريان طالما استمرت للسلك موصليته الفائقة ويسمى‬ ‫التيار حينها بالتيار المداوم ‪persistent current‬‬ ‫في عام ‪ 1911‬اكتشف العالم الهولندي هيك كامرلين أونيس وهو يقوم بقياس المقاومة‬ ‫الكهربية للزئبق النقي عند درجة حرارة الهليوم السائل والذي وصلت درجة حرارته الي‬ ‫‪ 4.2‬درجة مطلقة ) أي ما عادل ‪ 268.8‬درجة تحت الصفر المئوي ( وجد أن المقاومة‬ ‫الكهربية للزئبق تنهار وتؤول إلى أقل من ‪ 0.00001‬أوم) الصفر تقريبا (كما يتضح في‬ ‫شكل (‪ )1-7‬ولذا أطلق أونيس علي هذه الظاهرة بالموصلية الفائقة ألن التوصيل الكهربي‬ ‫يصل للماالنها ية عند هذه الدرجة‪.‬‬ ‫‪ -‬كما أطلق علي درجة الحرارة التي تتحول عندها المادة من الحالة العاد ية الي الحالة‬ ‫الفائقة بدرجة الحرارة الحرجة ‪. Tc‬‬ ‫‪ -‬بينما درجة الحرارةالتي تبدأ عندها المقاومة الكهربية في االنخفاض‬ ‫‪3‬‬  ‫د ‪/‬هبه أحمد محمود‬ ‫الفصل السابع ‪ :‬المواد فائقة التوصيل‬ ‫المفاجئ سميت بدرجة حرارة التحول‪. Ton‬‬ ‫كما يعرف الفرق بين درجة الحرارة الحرجة ‪ Tc‬ودرجة حرارة البداية‬ ‫‪-‬‬ ‫‪Ton‬بعرض االنتقال‪.‬‬ ‫شكل‪: 1-7‬سلوك المقاومة الكهربية مﻊ درجة الحرارة للزئبق فائق التوصيل‬ ‫تأثير ما زنر‪Meissner Effect‬‬ ‫‪.‬‬ ‫في عام ‪ 1933‬وجد العالمان األلمان مازنروأوشنفيلد )‪(Meissner and Ochsenfeld‬أن‬ ‫المواد فائقة التوصيل تطرد المﺠال المغناطيسي المطبق عليه الي الخارج و ذلك عند تبريدها‬ ‫حتى درجة الحرارة الحرجة وفي وجود المﺠال المغناطيسي كما يتضح في شكل (‪)2-7‬‬ ‫ونظر ا لحدوث هذه الظاهرة فقد صنف مازنر وأوشنفيلد المواد الفائقة عل أنها من عائلة‬ ‫الموادالدايامغناطيسية‬ ‫‪4‬‬  ‫د ‪/‬هبه أحمد محمود‬ ‫الفصل السابع ‪ :‬المواد فائقة التوصيل‬ ‫المادة الدايامغناطيسية هي المادة التي تتنافر مﻊ المﺠال المغناطيسي نتيﺠة لوجود‬ ‫جميﻊ إلكتروناتها في حالة ازدواج‪.‬‬ ‫تعطي كثافة المجال المغناطيسي داخل المادة في الحالة الطبيعية (‪ )Bint‬بواسطة ‪:‬‬ ‫‪= μO H + μOM‬‬ ‫‪= μO H + μO H Xm‬‬ ‫)‪= μO H (1+Xm) …………………………………………(1‬‬ ‫أذا ‪:μO‬نفاذية المساحة الحالية‬ ‫‪ :M‬المغنطة‬ ‫‪ :Xm‬القابلية المغناطيسية‬ ‫‪:H‬شدة المﺠال المغناطيسي الحرج‬ ‫بما أن ‪Bint = 0‬في الحالة الفائقة التوصيل ‪ ،‬فإن الوسط هو مادة دايامغناطيسية مثالية ألن‬ ‫القابلية المغناطيسية ‪. Xm = -1‬تأثير مازنر هو عملية عكسية أي عندما ترتفع درجة‬ ‫الحرارة فوق ‪ Tc‬يتدفق المجال المغناطيسي فجأة إلى العينة وتعود المادة الي الحالة الطبيعية‬ ‫كما هو مبين بالشكل‪.‬‬ ‫الشكل ‪: 2 -7‬سلوك ﺧطوط المﺠال المغناطيسي في حالة المادة الطبيعية والفائقة للتوصيل‬ ‫و ي ٌختلف هذا السلوك تماما مع ما يحٌدث ف الموصالت حيث تنشأ تيارات تأثيرية عند‬ ‫وضعها ف المجال المغناطيسي ولكن سرعان مايزول هذا التيار أثر المقاومة الكهربية‬ ‫للمادة ويستطيع المجال اختراق المادة‪.‬‬ ‫لكن ف المواد فائقة التوصيل فإن هذه التيارات التأثيرية تكون دائمة وال تنعدم نظرا‬ ‫‪5‬‬  ‫د ‪/‬هبه أحمد محمود‬ ‫الفصل السابع ‪ :‬المواد فائقة التوصيل‬ ‫النعدام المقاومة الكهربية لتلك المواد مما سٌاعد ف إنتاج عزوم مغناطيسية تعاكس‬ ‫المجال المغناطيسي الخارج فتمنعه من اختراقها‪.‬‬ ‫وقد سميت هذه الظاهرة بتأثير مازنر نسبة الي العالم مازنر‬ ‫خصائص المواد فائقة التوصيل ‪Superconductor properties‬‬ ‫للتعرف على ﺧصائص التوصيلية الفائقة من ﺧالل ثالثة عوامل مهمة‪ :‬درجة الحرارة‬ ‫الحرجة (‪ ،)Tc‬المﺠال المغناطيسي الحرج (‪ ، )Hc‬كثافة التيار الحرجة (‪.)Ic‬يعتمد كل‬ ‫عامل من العوامل الثالثة بشدة على ﺧصائص العاملين اآلﺧرين‪.‬‬ ‫درجة الحراوة الحرجة (‪Critical Temperature -:)Tc‬‬ ‫تتميز ظاهرة التوصيلية الفائقة قي اﺧتفاء المقاومة الكهربائية للعينة عند تبريدها إلى درجة‬ ‫حرارة معينة‪.‬قوق درجة الحرارة هذه ‪.‬تكون المقاومة صغيرة ولكنها محدودة ‪ ٠‬في حين‬ ‫أن المقاومة تحت هذه النقطة هي في األساس صفر‪.‬تسمى درجة الحرارة التي يحدث فيها‬ ‫االنتقال "درجة الحرارة الحرجة "ويشار إليها ‪ Tc‬في هذه الدرجة يفترض أن العينات تمر‬ ‫بمرحلة انتقال من الحالة الطبيعية إلى حالة التوصيل الفائق‪.‬تختلف درجة الحرارة الحرجة‬ ‫من مادة إلى أﺧرى‪.‬وينبغي اإلشارة الي أن ‪ Tc‬لمواد فائقة التوصيل تقل مﻊ زيادة كثافة‬ ‫التيار المطبق‪.‬اذ تفقد جميﻊ المواد فائقة التوصيل هذه الميزة من ﺧالل استعمال ﺧاصية‬ ‫تيار حرج معين لتلك المادة‪.‬‬ ‫المجال المغناطيسي الحرج )‪Magnetic Field (Hc‬‬ ‫أن تدفق التيار الفائق التوصيل ال ينتج عنه حرارة لذلك فإنه من المغري جد ا استعماله‬ ‫للحصول على مجاالت مغناطيسية قوية‪.‬ومع ذلك قان المواد فائقة التوصيل ال يمكنها‬ ‫إنشاء مجاالت أقوى من المجال المغناطيسي الحرج‪.‬لذلك تم اكتشاف أن حالة التوصيل‬ ‫الفائق سيتم تدميرها بواسطة مجال مغناطيسي عندما تصبح كثافة التدفق أكبر من المجال‬ ‫المغناطيسي الحرج‪.‬‬ ‫)‪HC = HO [ 1- ( 𝑇/Tc)2 ]……………………(2‬‬ ‫‪6‬‬  ‫د ‪/‬هبه أحمد محمود‬ ‫الفصل السابع ‪ :‬المواد فائقة التوصيل‬ ‫أذا ‪ HO‬هي قيمة المﺠال الحرج عند)‪T، ) 0K‬هي أي درجة حرارة أقل من ‪ Tc‬ويمكن‬ ‫مالحظة أن المادة في حالتها لطبيعية تكون قوق المنحني وفائقة التوصيل أسفل المنحنى‪.‬‬ ‫يتم تعريف ‪ Ho‬على أنه المﺠال المغناطيسي الذي يدمر التوصيلية الفائقة عند درجة حرارة‬ ‫الصفر المطلق‪.‬قيمة ‪ Ho‬تذهب إلى الصفر عند ‪ T=Tc‬وتعتمد على المادة ودرجة الحرارة‬ ‫لكن درجة الحرارة ‪ Tc‬تقل كلما زاد المﺠال المغناطيسي الحرج ‪.Hc‬‬ ‫التيار الحرج )‪Critical Current (Ic‬‬ ‫يسمي الحد األقصى للتيار الذي يمكن تمريره في عينة دون تدمير حالة التوصيلية الفائقة‪.‬‬ ‫بكثافة التيار الحرج ‪ Ic‬تختفي خصائص فائقة التوصيل للمواد فائقة التوصيل عند مرور‬ ‫تيار كثيف بما فيه الكفاية عبرها‪.‬وعندما يتدفق التيار من خالل موصل فائق التوصيل‬ ‫فإنه سيقوم بأنشاء المجال المغناطيسي الذي يمكنه تد مير حالة لتوصيل الفائق وفقا لقاعدة‬ ‫سيلسبى )‪) Silsbee’s rule‬‬ ‫)‪Ic = 2 π r Hc…………………………………….(3‬‬ ‫آذ ‪ Ic‬هي التيار الحرج هو‪ Hc‬المﺠال الحرج ‪ r‬هو نصف قطر السلك ‪.‬عادة ما يوصف‬ ‫التوازن بين التوصيل الفائق والحاالت العادية بثالث معامالت حرجة ‪ :‬درجة الحرارة‬ ‫الحرجة ‪ ،‬والمﺠال المغناطيسي الحرج وكثافة التيار الحرج‪.‬كما يظهر في الشكل ‪3-7‬‬ ‫شكل ‪:3-7‬العالقة بين )‪. (TC , IC , HC‬‬ ‫‪7‬‬  ‫د ‪/‬هبه أحمد محمود‬ ‫الفصل السابع ‪ :‬المواد فائقة التوصيل‬ ‫ظاهرة الطفو‪Floating phenomena‬‬ ‫من المعلوم أن الموصل الفائق هو موصل تام التوصيل وتنعدم مقاومته الكهربائية عند درجة‬ ‫الحرارة الحرجة ‪.‬ولذا فإننا إذا أدخلنا تيارا كهربائي ا في حلقة من سلك فائق التوصيل فإن‬ ‫هذا التيار سوف يستمر في السريان طالما أن السلك يظل محتفظا بموصلتيه الفائقة ‪.‬في احدى‬ ‫التجارب استمر سريان التيار بدون انقطاع في حلقة من سلك فائق التوصيل لمدة عامين‬ ‫ونصف دون أي نقص في شدته ودون تغذية الحلقة بأي مصدر كهربائي خارجي ‪.‬ولقد تم‬ ‫تسمية التيارات التي ال تجد أية مقاومة لسريانه في موصل فائق بالتيارات الدائمة والتي‬ ‫تحدث عند مجاالت مغناطيسية متغيرة مما ينشأ ظاهرة الطفو المثيرة ‪.‬عند وضع مغناطيس‬ ‫صغير فوق موصل فائق فإن المجال المغناطيسي على سطح الموصل الفائق يسبب تيارات‬ ‫دائمة ُتنشئ قوي تنافر مع المغناطيس بحيث تقوي وتشتد كثيرا باقتراب المغناطيس من‬ ‫الموصل الفائق حتى ٌتم رفع المغناطيس في الهواء في ٌ‬ ‫ظهر وكأنه عائم في الهواء مما ٌنشأ‬ ‫ظاهرة الطفو المثيرة الموضحة بالشكل )‪.)3-7‬‬ ‫شكل‪: 3-7‬ظاهرة الطفو في المواد فائقة التوصيل‬ ‫‪8‬‬  ‫د ‪/‬هبه أحمد محمود‬ ‫الفصل السابع ‪ :‬المواد فائقة التوصيل‬ ‫ظاهرة التكميم المغناطيسي‬ ‫انه اذا تم صنع موصل فائق على صورة حلقة ) مهما كانت متناهية الصغر ( فان مقدار‬ ‫المجال المغناطيسي الذى مٌر من خالل تلك الحلقة يجٌب إن يكون مساويا تماما لعدد صحيح‬ ‫من الكمات المغناطيسية‪.‬‬ ‫ومعني التكميم‬ ‫‪ ‬انه لو تعرض الموصل الى المجال المغناطيسي يزيد قليال عن عدد صحيح من الكمات‬ ‫)يزيد اقل من نصف كمة ( ‪ ،‬فان الزيادة ترفض وال تمر من خالله‪.‬‬ ‫‪ ‬في حين انه لو تعرض لمجال يقل قليال عن عدد صحيح من الكمات بمقدار ضئيل (اكبر‬ ‫من نصف كمه (فانه يتكيف بحيث يكمل النقص من تلقاء نفسه من اجل ان يحٌافظ على‬ ‫العدد الصحيح من الكمات‪.‬‬ ‫‪ ‬يعٌني لو مر مجال مغناطيسي يسٌاوي مائة كمة مضافا اليها ربع كمة فان ذلك الربع يرٌفض‬ ‫واليمر من خالله في حين لو كان بدل الربع النصف او اكثر ولكن اقل من الواحد الصحيح‬ ‫‪ ،‬فان الموصل ي ٌكمله الى الواحدالصحيح‪.‬‬ ‫‪ ‬وهذا بالضرورة يقتضي ان التيارالذى يلف يزيد وينقص بمقدارضئيل مع المجال‬ ‫الخارجي‪.‬‬ ‫‪ ‬ولقدتبين أن هذه الظاهرة ذات أهمية بالغة جدا فهي مبدا ما ي ٌعرف بمجس السكويد الذى‬ ‫سوف تناوله ف التطبيقات الحقا‪.‬‬ ‫تطبيقات المواد فائقة التوصيل‬ ‫‪.1‬جهاز سكويد‬ ‫ي ٌتركب جهاز سكو يد لقياس شدة التمغنط من حلقة من الموصل الفائق مكونة من وصلتين‬ ‫من المواد فائقة التوصيل تسمي وصالت جوز يفٌ صن ‪.‬كما هو موضح بالشكل (‪)4-7‬‬ ‫ويتميز جهاز سكويد بحساسية عالية جدا لقياس الفيض المغناطيسي تصل الي حوالي ‪10-4‬‬ ‫تسال‪.‬وبالتالي فقد أستطاع الباحثين من استخدام جهاز سكويد ف رصد المجاالت المغناطيسية‬ ‫‪9‬‬  ‫د ‪/‬هبه أحمد محمود‬ ‫الفصل السابع ‪ :‬المواد فائقة التوصيل‬ ‫الناتجة عن أعضاء جسم اإلنسان مثل القلب والمخ والجهازالعصبي والتي كان من الصعب‬ ‫رصدها باألجهزة المعتادة حيث أنها كانت تتطلب حساسية عالية جدا ف القياس نظرا ألن‬ ‫المجال المغناطيسي الناتج عن هذه األعضاء ٌكون محدود جداو يحٌتاج لدقة وحساسية عالية‬ ‫في القياس‪.‬على سبيل المثال المجال المغناطيسي للقلب ي ٌكون ف حدود ‪ 10-10‬تسال و عن‬ ‫المخ ي ٌكون ف حدود‪10-13‬‬ ‫شكل‪ 4-7:‬استخدام جهاز سكويد ف رصد المجاالت المغناطيسية الناتجة عن أعضاء جسم‬ ‫اإلنسان‬ ‫‪.2‬أجهزة الرادار‬ ‫مشكلة التشويش لتصور هذه المشكلة يمكنك مراقبة مايحدث لﺠهاز التلفاز عندما يتم تشغيل‬ ‫جهاز كهربائي بالقرب منة ‪.‬إن الصورة سوف تصاب بالتشو يش نتيﺠة المﺠاالت المغناطيسية‬ ‫المﺠاورة والتي تؤثر على حركة اإللكترونات المسئولة عن تكوين الصورة ‪.‬وهذا بالفعل ما‬ ‫يحدث مﻊ أجهزة الرادار بالضبط ولكنها تكون أكثر حساسية حيث تتأثر بالمﺠاالت الخارجية‪.‬‬ ‫‪10‬‬  ‫د ‪/‬هبه أحمد محمود‬ ‫الفصل السابع ‪ :‬المواد فائقة التوصيل‬ ‫وللتغلب على ذلك تم استعمال الدروع المغناطيسية والتي هي عبارة عن اسطوانات ذات‬ ‫مقاسات مختلفة مصنوعة من المواد الفائقة ويضﻊ بداﺧلها مصدر اإللكترونات فيحميها من‬ ‫المﺠاالت الخارجية ويﺠعل صورة الرادار ﻏاية في الوضوح‪.‬إن قدرة الموصالت الفائقة‬ ‫على طرد المﺠاالت المغناطيسية جعلت منها مرشحة الستعمالها أيضا في الرادارات‬ ‫العسكرية‪.‬فمن المعلوم أن دقة الصور التي يوفرها الرادار تعتمد على قدرته على التحليل ﻏير‬ ‫أن تلك القدرة تتأثر سلبا بالمﺠاالت المغناطيسية المﺠاورة سواء األرضية أو ﻏيرها‪.‬وأيضا‬ ‫فمن التطبيقات العسكرية استخدام كاشف السكويد للكشف عن أدق األعطال المتمثلة في الشقوق‬ ‫والشروخ في أجسام الطائرات العسكرية والمدنية على حد سواء‪ ،‬والطريقة تسمى بأسلوب‬ ‫الكشف ﻏير الضار وللكاشف القدرة التامة للكشف عن عيوب فنية أو شروخ في داﺧل أجسام‬ ‫الطائرات ولو كانت متوﻏلة في عمق يزيد كثيرا عن عشرة سنتيمترات‪.‬‬ ‫شكل‪ :5-7‬استخدام جهاز الرادارفي رصد المخلفات المرورية‬ ‫‪11‬‬  ‫د ‪/‬هبه أحمد محمود‬ ‫الفصل السابع ‪ :‬المواد فائقة التوصيل‬ ‫‪.3‬القطار الفائق‬ ‫هل تستطيﻊ تصور قطار يطير في الهواء كما تفعل الطائرة ويسير بسرعة كسرعتها؟ نعم‬ ‫إنه القطار ا الفائق‪.‬إن من شأن االستفادة من ظاهرة الطفو المغناطيسي أو التعليق أن توفر‬ ‫قطارات معلقة في الهواء‪ ،‬وبالتالي فهي تسير بدون احتكاك مما يعطي توفيرا هائال في‬ ‫الطاقة من جهة ويوفر سرعات كبيرة إلى جانب التخلص من الضوضاء‪.‬ثم إن تلك القطارات‬ ‫سوف تكون مريحة جدا وﺧالية من المطبات ألنها تسير على وسادة هوائية‪ ،‬حيث يرتفﻊ‬ ‫القطار حوالي عشرة سنتيمترات عن المسار‪.‬والقطار يحوي المواد فائقة التوصيل في حين‬ ‫تتوفر المغناطيسات الكبيرة على الطريق‪.‬وفي داﺧل القطار يتوفر جهاز تبريد‪ ،‬وهذا الﺠهاز‬ ‫هو كل ما يلزم حيث يستفاد من قوة التنافر مﻊ المغناطيسات نفسها في دفﻊ القطار وتسييره‬ ‫بسرعات تزيد على ‪ 500‬كم في الساعة‪.‬‬ ‫انواع الموصالت الفائقة‬ ‫تقسم الموصالت الفائقة حسب درجة حرارتها الحرجة إلى‪-:‬‬ ‫‪ )1‬المواد الفائقة التوصيل منخفضة الحرارة وتسمى ايضا فائقة التوصيل التقليدية مثل‬ ‫الزئبق وتمتاز بانخفاض درجة حرارتها الحرجة‪.‬‬ ‫‪ )2‬المواد فائقة التوصيل عالية الحرارة وتمتاز بارتفاع درجة حرارتها الحرجة‬ ‫‪12‬‬  ‫د ‪/‬هبه أحمد محمود‬ ‫الفصل السابع ‪ :‬المواد فائقة التوصيل‬ ‫‪Advantages of Superconductors‬‬ ‫مزايا الموصالت فائقة التوصيل‬ ‫هناك عدد من المزايا وهي كالتالي ‪-:‬‬ ‫الميزة األولى واألكثر وضوحا هو الخسائر ضئيلة الطاقة التي تحدث في الموصالت الفائقة‬ ‫على عكس الموصالت العادية ‪.‬فإنه يصبح أكثر تكلفة وكفاءة في استهالك الطاقة للغاية إذا‬ ‫يمكن تشغيلها األجهزة الكهربائية مﻊ عدم وجود مقاومة لتدفق اإللكترونات ‪.‬وهم بالتالي قادرا‬ ‫على تحمل تيارات كبيرة لفترة طويلة مﻊ ﺧسائر ضئيلة الطاقة في شكل حرارة ‪.‬في جميﻊ‬ ‫التﺠارب التي أجريت حتى اآلن ‪ ،‬قامت التيارات فائقة لسنوات مﻊ عدم وجود ﺧسائر للتسﺠيل‪.‬‬ ‫لديهم أيضا القدرة على السماح لألجهزة اإللكترونية لتعمل بشكل أسرع بكثير ‪ ،‬ومركبات‬ ‫النقل ‪ ،‬مثل القطارات ‪ ،‬لتصل إلى سرعات تصل إلى ‪ 581‬كلم‪.‬‬ ‫الميزة الثانية هو قدرتها على العمل في درجة حرارة أعلى بكثير من الحرج موصل جيد‬ ‫للكهرباء نتيﺠة لهذه الميزة ‪ ،‬وكثير ﻏيرها على تدفق منه ‪.‬وكان وسيلة التبريد المستخدمة‬ ‫قبل عام ‪ 1986‬الهليوم السائل ‪ ،‬وهي مكلفة وعندما تم اكتشاف أول نوع موصل جيد للكهرباء‬ ‫هو حوالي ‪ 20‬مرة أكثر فعالية مما يﺠعل الموصالت الفائقة من النوع ‪ 2‬أكثر فعالية من حيث‬ ‫التكلفة من الموصالت الفائقة التقليدية ‪.‬‬ ‫‪13‬‬  ‫د ‪/‬هبه أحمد محمود‬ ‫الفصل السابع ‪ :‬المواد فائقة التوصيل‬ ‫تمارين‬ ‫‪ -1‬شدة المﺠال المغناطيسي في مادة القصدير هي صفر عند درجة حرارة‬ ‫‪ 3.69Ko‬وتكون 𝜋‪ 3x105/4‬أورستيد عن صفر درجة كلفينية أحسب درجة‬ ‫الحرارة الحرجة للموصل الفائق إذا كانت شدة المﺠال تساوي 𝜋‪2x105/4‬‬ ‫‪ -2‬إذا كانت شدة المﺠال المغناطيسي تساوي 𝜋‪ 4.1x105/4‬اورستيد عند صفر‬ ‫درجة كلفينية في الموصل الفائق من الزئبق وتساوي 𝜋‪ 3x105/4‬أورستيد‬ ‫عند ‪ 2.3Ko‬أحسب درجة الحرارة الحرجة‪ Tc‬والنسبة ‪. T/Tc‬‬ ‫‪ -3‬تعمل مادة الرصاص كموصل فائق عند درجة حرارة ‪ Tc=7.2Ko‬فإذا كانت‬ ‫شدة المﺠال عند صفر درجة كلفينية هي ‪ Ho=8X105 A/m‬فأحسب شدة‬ ‫المﺠال المغناطيسي عند ‪. 5Ko‬‬ ‫‪14‬‬