المواد فائقة التوصيل وتطبيقاتها الصناعية بقام الدكتور زيادطارق خضير

كلية العلوم  |  جامعة ديالى

المقال العلمي الاسبوعي

المواد فائقة التوصيل وتطبيقاتها الصناعية بقلم الدكتور زياد طارق خضير / رئيس قسم علوم الفيزياء كلية العلوم / جامعة ديالى

من المعروف ان المواد في الطبيعة  يمكن تقسيمها الى ثلاثة اصناف اعتمادا على قابلية توصيلها الكهربائي  وهي: الموصلات

(Conductors) ، واشباه الموصلات

(Semiconductors)، والعوازل (Insulators)،ولكن هناك نوعاً اخراً تم الحصول عليه وتطويره على ايدي العلماء وهو مايعرف بالموصلات فائقة التوصيل(Superconductors).

وتعد اليوم ظاهرة التوصيل الفائق (Superconductivity) احد اهم الظواهر في فيزياء الحالة الصلبة، وذلك لكون بعض الفلزات والمركبات التي تتصف بهذه الظاهرة تكاد ان تنعدم  مقاومتها النوعية عند درجة حرارة معينة واطئة، او بتعبير اخر ان التيار الكهربائي يسري فيها دون أي تبديد في قيمته، وبذلك تصبح قدرتها على التوصيل فائقة جدا.  ومن الناحية التاريخية فقد اكتشفت هذه الظاهرة عام  1911)) من قبل العالم الفيزيائي الهولندي هيك كاميرلنك اونيس(Heike Kamerlingh Onnes) وذلك من خلال دراسة التوصيل الكهربائي للزئبق النقي عند درجات حرارة واطئة جدا، فقد وجد ان المقاومة النوعية للزئبق تختفي فجأة (أي تكاد ان تكون صفرا) عند تبريده عند درجة حرارة سائل الهليوم (4.2)كلفن أي مايعادل (286)تحت الصفر المئوي، وقد اطلق على الدرجة الحرارية التي تفقد المادة عندها مقاومتها وتتحول من مادة عادية الى موصل فائق بدرجة الحرارة الحرجة  (Critical Temperature)  ويرمز لها بالرمز (Tc)، وقبل هذا التاريخ كان الاعتقاد السائد أن جميع المواد تصبح فائقة التوصيل للكهرباء فقط عند درجة  حرارة الصفر المطلق أي )-273( درجة مئوية.وبعد هذا الاكتشاف استمر العلماء بالبحث عن مواد ذات درجات حرجة اعلى، ففي بداية الاربعينات من القرن الماضي تم الوصول الى الدرجة الحرجة (15) كلفن وفي عام 1973 تم الوصول الى درجة (23) كلفن، اما القفزة الكبرى فكانت في عام 1986 عندما تم الوصول الى درجة حرجة مقدارها (30) كلفن من خلال تحضير مواد سيراميكية  وتوالت بعد ذلك البحوث في كل ارجاء العالم لاهمية هذه المواد في التطبيقات الصناعية المختلفة الى ان تم الوصول الى درجات حرارية حرجة عالية وخاصة في المواد التي تعرف المواد فائقة التوصيل عالية الحرارة(HTS) والتي اقتربت من درجة حرارة الغرفة.

ان الصفة المهمة الاخرى التي امتازت بها المواد فائقة التوصيل عند درجة  حرارة تحولها هي نفورها من المجال المغناطيسي المسلط عليها، أي انها تعكس المجال المغناطيسى مهما ضعفت شدته، وبذلك فان خصائص هذه المواد  فتحت الأبواب أمام العلماء لاستغلالها فى ابتكارات واختراعات ذات كفاءة عالية تدخل فى معظم مجالات العلوم والتكنولوجيا، حيث أن هذه المواد (Superconductors)  سوف تحل محل اشباه الموصلات ذات التطبيقات المهمة في صناعة الترانزستورات والخلايا الشمسية والدوائر المتكاملة، وان اول هذه التطبيقات هو الحصول على وسيلة غير مكلفة لنقل التيار الكهربى، لأن التكاليف المادية لنقل التيار عبر أسلاك النحاس مرتفعة نظرا للفقد الكبير فى الطاقة على شكل حرارة متبددة نتيجة مقاومة السلك النحاسى، كذلك إذا ما قارنا قيمة التيار الذى يمكن نقله عبر السلك النحاسى حيث تبلغ شدته 100 أمبير لكل سنتيمتر مربع بينما فى السلك المصنوع من مركب الـ YBa2Cu3O7 تبلغ 100000 أمبير لكل سنتيمتر مربع.

لقد دخلت تكنولوجيا المواد الفائقة في القرن الحالي ضمن تطبيقات صناعبة متعددة ذات اهمية خدمت البشرية في اغلب الميادين، فهي اليوم تدخل وبجدارة في تصنيع القطارات الطافية ذات السرع العالية التي بامكانها السير فوق السكة الحديدية ولكن دون أي احتكاك( طافية في الهواء) وذلك بفعل منظومة المواد فائقة التوصيل الموجودة داخل القطار، وهي بذلك توفر كميات هائلة من الطاقة بالاضافة الى السرعة العالية التي تصل الى 500 كم في الساعة الى جانب التخلص من الضوضاء وكذلك كونها مريحة جدا في السفر لمسافات بعيدة كونها تسيرعلى وسادة هوائية خالية من المطبات. ومن التطبيقات الاخرى التي يمكن ان نوجزها باختصار هي:

صناعة الاجهزة الالكترونیة المختلفة وخاصة صناعة  الاجهزة حاسوب صغیرة ذات كفاءة عالية السرعة وصناعة أسلاك ضخمة فائقة التوصیل لنقل الكهرباء الى المدن دون ضياع في الطاقة او خزن هذه الطاقة لزمن معين بعمل ملفات عملاقة وتستعمل الموصلات الفائقة ايضا  في صنع مغناطیسات كهربائية قویة جداً كتلك المستخدمة في أجهزة التصویر بالرنین المغناطیسي ذي التطبيق الواسع في المجال الطبي والذي لايمكن الاستغناء عنه في تشخيص الامراض المستعصية، كما تستخدم الموصلات الفائقة في صنع الدوائر الكهربائية الرقمیة وفلاتر المایكروویف في محطات الإرسال للهواتف الخلویة بانواعها، وفي الدراسات الجيولوجية والدراسات المتعلقة بالنفط من خلال كواشف سكويد التي طورت للكشف عن الاشارات التي لايمكن تحسسها ضمن الاجهزة التقليدية اضافة الى تطبيقات اخرى  لايمكن حصرها ضمن هذه المقالة لكن في كل الاحوال فان هذه المواد تبشر بقفزة هائلة في التطور التكنولوجي لاسيما اذا استثمرت بصورة صحيحة واتقان.

والى اللقاء في مقال قادم ان شاء الله…..