512

ابررسانا چیست و چه نقشی در صنعت دارد؟

بسم الله الرحمن الرحیم

نقش ابر رساناها در صنعت


 مقدمه:

یک تیم تحقیقاتی صنعتی در آمریکا متشکل از مهندسین و دانشمندان که زیر نظر شرکت Waukesha Electric Systems فعالیت می نمایند، در سال 1999 خبرتحول مهمی را در صنعت برق با انجام آزمایش موفقیت آمیز نوع جدیدی از ترانسفورماتورهای قدرت اعلام نمودند. ترانسفورماتورهای ابررسانایی جدید در مقایسه با ترانسفورماتورهای رایج، کوچک و سبک تر می باشند و دارای طول عمر بیشتری نیز هستند. در این نوع ترانسفورماتورها دیگر نیازی به هزاران گالن روغن جهت عایقی و خنک سازی نمی باشد و در نتیجه خطر ایجاد حریق و مسائل زیست محیطی را نخواهد داشت. در ابررساناها بعلت عدم وجود مقاومت اهمی در برابر جریان dc ، تلفات اهمی برابر با صفر است. لذا با استفاده از ابررساناها در ترانسفورماتورها، تلفات کل ترانسفورماتور، کاهش قابل ملاحظه ای خواهد یافت. تلاشهایی که جهت توسعه ترانسفورماتورهای ابررسانا انجام می گیرد صرفا" بخاطر مسائل اقتصادی و کاهش هزینه نیست. یکی دیگر از دلایل طرح این مبحث این است که در مراکز پر تراکم شهری، رشد مصرف 2 درصدی (سالیانه ) به معنی نیاز به ارتقاء ظرفیت سیستم های موجود است. از طرفی بسیاری از پستهای توزیع بصورت Indoor  بوده و در کنار ساختمانها نصب شده اند. در این نوع پست ها همانند دیگر پستهای توزیع، از ترانسهای روغنی استفاده می شود که استفاده از روغن مشکلات و خطرات زیست محیطی و ایمنی مربوط به خود را دارد. در حالیکه در ترانسفورماتورهای ابررسانا، ماده خنک کننده نیتروژن است که خطری برای افراد و موجودات زنده ندارد. بعلاوه در این ترانسفورماتورها، خطر آتش سوزی نیز وجود ندارد. بهمین لحاظ خنک کننده مورد استفاده در ترانسفورماتورهای ابررسانا به هیچ عنوان قابل مقایسه با روغنهای قابل اشتعال و مواد شیمیایی شیمی همچون PCB نیست.

 

آزمایشات بر یک نوع از این ترانسفورماتور با ظرفیت 1MVA امکان سنجی فنی و سایر مزایای آنرا به اثبات رسانده است. یکی از مزایای آن کاهش وزن ترانسفورماتور می باشد بطوریکه برای یک ترانسفورماتور 30MVA وزن آن از 48 تن به 24 تن خواهد رسید.

 

دو تغییر مهم در طراحی ترانسفورماتور که منجر به طراحی و ساخت این نوع ترانسفورماتورهای جدید شده است، عبارتند از استفاده از مواد ابررسانایی دمای بالا (HTS) بجای سیم پیچ های رایج مسی و بکارگیری از یک سیستم کوچک خنک سازی بجای سیستم خنک کننده رایج ترانسفورماتورهای معمولی.

ترانسفورماتور HTS ، 30 MVA تقریبا" به 200 پوند (100 کیلوگرم ) ابررسانا نیاز خواهد داشت که هیچ گونه مقاومت الکتریکی ندارد و بنابراین هیچگونه حرارتی تولید نخواهدکرد،درحالیکه در ترانسفورماتورهای رایج، سیم پیچهای مسی که هزاران پوند وزن دارند منبع اصلی تولید گرما و ایجاد تلفات میباشند.فن آوری ترانسفورماتور HTS از نظر استفاده از یک سیستم خنک کننده حلقه بسته جهت خنک سازی سیم پیچ های ترانسفورماتور یکتا می باشد و قادر است که دمای سیم پیچ را تا 382 - درجه فارنهایت برساند.

 

ترانسفورماتور HTS آزمایشی 1MVA به عنوان یک بستر آزمایشی مناسب برای ارزیابی نوآوریهای تازه ساخته شده است.

همین تیم تحقیقاتی که بر روی ساخت و آزمایش ترانسفورماتور  1MVA, HTS کار کرده اند، قرار است طراحی و آزمایش یک ترانسفورماتور آزمایشی آلفا 10MVA را شروع نمایند.

 

پروژه ترانسفورماتور HTS در ایالت متحده آمریکا توسط چندین شرکت و سازمان دنبال می گردد. شرکت Waukesha Electric Systems ( WES ) رهبری ساخت اینگونه ترانسفورماتورها را در آمریکا به عهده دارد. این شرکت مسئول طراحی و ساخت هسته و تانک ترانسفورماتور HTS – 1MVA بوده و همچنین مونتاژ و آزمایش آنرا نیز به عهده داشته است. شرکت Intermagnetics General Corporation ( IGC ) در آمریکا، سازنده هادیها و کابلهای ابررسانا می باشد و در این پروژه مسئول طراحی و ساخت هادیهای ابررسانا، سیم پیچ های ترانسفورماتور و طراحی بخشی از سیستم سرمایشی بوده است.

 

دکتر Christine Platt از دپارتمان انرژی آمریکا بر اهمیت این پدیده اذعان می نماید و می گوید که در آمریکا تلفات انرژی الکتریکی تولید شده در حدود 8 درصد می باشد که ترانسفورماتورها نیمی از این تلفات را تولید می کنند و با استفاده از مواد ابررسانا و تولیدات آن این رقم نصف خواهد شد که در نتیجه منجر به صرفه جویی صدها میلیون دلار درسال خواهد شد.

 

   * High Temperature Superconductor   

تاریخچه ساخت ابررساناها

بعد از کشف ابررساناها، تا چند سال تصور می‌شد رفتار مغناطیسی ابررسانا مانند رساناهای کامل است. اما در سال 1933 مایسنر و اوشنفلد دریافتند اگر ماده مورد آزمایش قبل از ابررسانا شدن در میدان مغناطیسی باشد، شار از آن عبور می‌کند ولی وقتی در حضور میدان به دمای بحرانی برسد و ابررسانا گردد دیگر هیچ‌گونه شار مغناطیسی از آن عبور نخواهد کرد و تبدیل به یک دیامغناطیس کامل می‌شود که شدت میدان (B) درون آن صفر خواهد بود. آنها توزیع شار در خارج نمونه‌های قلع و سرب را که در میدان مغناطیسی تا زیر دمای گذار سرد شده بودند را اندازه­گیری و مشاهده کردند که ابررسانا دیامغناطیس کامل گردید و تمام شار به بیرون رانده شد. این آزمایش نشان داد که ماده ابررسانا چیزی بیشتر از ماده رسانای کامل است. براساس ویژگی مهم ابررساناها، فلزات در حالت ابررسانایی هرگز اجازه نمی‌دهند که چگالی شار مغناطیسی در درون آنها وجود داشته باشد. به عبارت دیگر در داخل ابررسانا همیشه B=0 است. این پدیده به اثر مایسنر معروف شد.

 در اثر پدیده مایسنر اگر یک آهنربا روی ماده ابررسانا قرار گیرد، روی آن شناور می‌ماند. در شکل یک آهنربای استوانه‌ای روی یک قطعه ابررسانا که توسط نیتروژن خنک شده شناور است. علت شناور ماندن، اثر مایسنر است که براساس آن خطوط میدان مغناطیسی امکان عبور از ابررسانا را نیافته و چنانکه مشاهده می‌شود، ابررسانا قرص مغناطیسی را شناور نگه می‌دارد.

پس از کشف دیامغناطیس بودن ابررساناها، در سال 1950 آلیاژهای ابررسانایی مانند سرب+بیسموت  و سرب+تیتانیوم کشف شدند که میدانهای بحرانی خیلی بالایی از خود نشان می‌دادند. پژوهشهای بعدی نشان داد که این مواد نوع متفاوتی از ابررساناها هستند که بعداً نوع II نامیده شدند. لاندن با استفاده از موازنه انرژی در محدوده کوچکی بین مرز فازهای ابررسانا و نرمال، شرط تعادل فاز را به دست آورده و به حضور یک سطح انرژی دیگر با منشأ غیرمغناطیسی اشاره کرد که علاوه بر انرژی مرز بین دو فاز ابررسانا و نرمال وجود داشت. وی متذکر شد که اگر سطح انرژی کل مثبت باشد ابررسانایی ازنوع اول و اگر منفی باشد از نوع دوم است که در این صورت میدان مغناطیسی به درون ابررسانا نفوذ می‌کند. در سال 2003 نیز آلکسی آبریکوزوف و ویتالی گینزبورگ به خاطر بسط تئوری ابررسانایی همراه با آنتونی لگت برنده جایزه نوبل فیزیک شدند.

به تازگی هم پژوهشگران فرانسوی خاصیت جدیدی را در ابررساناها پیدا کرده‌اند که قبلاً در هیچ نظریه‌ای پیش‌بینی نشده بود. چنانکه اشاره شد خواص ابررسانایی در مواد، به دمای محیط، میدان مغناطیسی و شدت جریان عبوری بستگی دارد. محققان فرانسوی بلوری ساخته‌ بودند که در دمای 04/0 درجه کلوین ابررسانا می‌شد و وقتی شدت میدان مغناطیسی به بیشتر از 2 تسلا می‌رسید، این خاصیت از بین می‌رفت. یکی از پژوهشگران این گروه، از روی کنجکاوی، شدت میدان مغناطیسی را باز هم بیشتر کرد. وقتی شدت میدان به 12 تسلا رسید، بلور دوباره ابررسانا شد. وقتی میدان باز هم بالاتر رفت، این خاصیت دوباره از بین رفت. این گزارش که اخیراً در نشریه علمی ساینس به چاپ رسیده، توجه بسیاری از فیزیکدانان حالت جامد را برانگیخته است چرا که هیچ توضیح خاصی برای این پدیده وجود ندارد. با توجه به موارد گفته شده، به نظر می‌رسد که میدان مغناطیسی متغیر باعث ایجاد رفتارهای جالب پیش‌بینی نشده در ابررساناها می‌شود. البته باید توجه داشت که ابررسانایی یک خاصیت کاملاً کوانتمی است و به سادگی نمی‌توان وضعیت پیش آمده در این آزمایش را توصیف کرد.

درمورد مهمترین خواص ابررساناها می‌توان به موارد ذیل اشاره داشت.

  1. مقاومت ناچیز در مقابل عبور جریان مستقیم و توانایی عبور چگالی جریان بالا: امروزه صرفه‌جویی در مصرف انرژی، یکی از مهم‌ترین نیازهای کشورهای صنعتی است. بودجه‌های زیادی صرف تحقیقات در زمینه کشف راه‌های تازه و موثرتر برای یافتن انرژی‌های ارزان‌ و با ریسک کمتر می‌شود. برپایة این پدیده، بارهای الکتریکی می‌توانند بدون تلفات گرمایی از یک رسانا عبور کنند. بنابراین ابررسانایی با نقشی که می‌تواند در زمینه صرفه جویی در تولید و انتقال انرژی الکتریکی بازی کند، در آینده بشر نقشی اساسی خواهد داشت و به همین دلیل در سالهای اخیر بیش از ده هزار پژوهشگر با صرف هزینه‌های زیاد، تحقیقات خود را روی موضوع ابررسانایی و کاربردهای آن در علوم مختلف متمرکز ساخته‌اند. با توجه به مقاومت تقریباٌ صفر، ابررساناها درشبکه‌های توزیع و انتقال و همچنین ماشینهای الکتریکی قابل استفاده هستند. این خاصیت باعث می‌شود که اگر جریانی در یک ابررسانا ایجاد شود، بدون کاهش قابل توجهی برای مدت طولانی برقرار بماند. همینطور شدت جریان عبوری از ابررسانا نیز به علت فقدان افت اهمی بسیار بالاست. برای مثال آلیاژ نیوبیوم و تیتانیوم که در درجه حرارت 4/4 کلوین به حالت ابررسانایی می‌رسد قادر به عبور جریان 2000 آمپر بر میلیمتر مربع در شدت میدان 5 تسلا است. این چگالی صد بار بیشتر از چگالی جریان در سیمهای مسی معمولی است. البته در صورت افزایش چگالی جریان از حد معینی، ابررسانا در وضعیت مقاومتی قرار می‌گیرد و خصوصیت ابررسانایی را از دست خواهد داد. جریان یا چگالی جریانی که ابررسانا می‌تواند از خود عبور دهد و خاصیت ابررسانایی را از دست ندهد به جریان بحرانی یا چگالی جریان بحرانی معروف است.

 

 

  1. توانایی در تولید میدانهای مغناطیسی قوی: پدیدة ابررسانایی در فن‌آوری‌های جدید از توانایی‌های گسترده‌ای برخوردار است. خواص ابررسانایی در مواد، علاوه بر دمای محیط و شدت جریان عبوری، به میدان مغناطیسی هم بستگی دارد. یعنی حتی اگر جسم در دمایی پایین‌تر از حد ابررسانایی باشد، وقتی میدان مغناطیسی از میزان مشخصی بیشتر باشد، خاصیت ابررسانایی از بین خواهد رفت. از این میدان‌ها می‌توان در قطارهای مغناطیسی استفاده کرد. شدت این میدانها برای آلیاژ نیوبیوم و تیتانیوم (NbTi) به حدود 10 تسلا نیز می‌رسد. شدت میدان مغناطیسی در جهت از بین بردن خاصیت ابررسانایی عمل می‌کند. میدان بحرانی به شدت میدانی اشاره دارد که ابررسانا خاصیت خود را در آن شدت میدان از دست می‌دهد. برای توضیح خصوصیات مغناطیسی ابررسانا، فرض کنید که در غیاب هر گونه مغناطیسی ابتدا مقاومت ابررسانا با سرد شدن از بین برود و سپس میدان مغناطیسی به آن اعمال شود. به دلیل آنکه چگالی شار نمی‌تواند در داخل فلز تغییر کند، باید حتی بعد از اعمال میدان مغناطیسی نیز صفر باقی بماند. در واقع اعمال میدان مغناطیسی، جریانهای بدون مقاومتی را القا می‌کند که در سطح نمونه طوری گردش می‌کنند که چگالی شار مغناطیسی آنها در داخل نمونه دقیقاً برابر و در جهت مخالف چگالی شار میدان مغناطیسی اعمال شده باشد و از آنجایی که این جریانها از بین نمی‌روند، چگالی شار خالص در داخل نمونه صفر باقی می‌ماند.

سالهای بسیاری تصور می‌شد که تمام ابررساناها بر اساس اصول فیزیکی مشابهی رفتار می‌کنند. اما اکنون ثابت شده ابررساناها با توجه به رفتار فیزیکی، به دو گروه مختلف که به ابررساناهای نوع I وII معروفند باید دسته‌بندی شوند. بیشتر عناصر در شرایط ابررسانایی، رفتار ابررسانایی از نوع I را از خود نشان می‌دهند اما تعداد کمی از عناصر و بیشتر آلیاژها عموماً رفتار ابررسانایی از نوع II را بروز می‌دهند. در شکل زیر ابررساناهای نوع I و II در جدول مندلیف مشاهده می‌شود.

 

توجیه اختلاف بین ابررساناهای نوع  Iو II مبتنی بر مسافت آزاد میانگین الکترونهای هدایتی در فاز نرمال است. مقاومت الکترونی در مواد ابررسانای نوع I یعنی آلیاژها و فلزات واسط در حالت عادی کوتاه است اما با افزودن مقداری از یک عنصر خاص، مسافت آزاد میانگین الکترونهای هدایتی افزایش یافته و ابررسانای نوع اول به ابررسانای نوع دوم تبدیل می‌شود. از نظر مغناطیسی، ابررساناهای نوع اول دارای دو محدوده و ابررساناهای نوع دوم دارای سه ناحیه برای فعالیت هستند.

  1. خاصیت تونل‌زنی: این مشخصه به این معنی است که اگر دو ابررسانا را خیلی به هم نزدیک کنیم، مقداری از جریان یکی به دیگری نشت می‌کند. در دو سر این پیوندگاه یا تونل هیچ ولتاژی وجود ندارد. یعنی میزان جریان نشتی به ولتاژ بستگی ندارد ولی به میدان مغناطیسی و تابش مغناطیسی حتی در مقادیر خیلی کوچک بشدت وابسته است.

 

  ذخیره‌کننده‌های مغناطیسی انرژی با استفاده از ابررساناها

 

 

 (SMES)-(Superconducting Magnetic Energy Storage)

  اصولاً یک سیستم قدرت در ساعات مختلف شبانه‌روز دارای مصارف مختلفی است،‌بنابراین میزان تولید انرژی باید متناسب با نیاز مصرف‌کننده تغییر کند. همچنین در یک شبکه وسیع، مشکل تثبیت ولتاژ، تاثیرات هارمونیکها، نامتعادل شدن ناگهانی شبکه در هنگام بروز خطا و در نتیجه از کارافتادن ژنراتورها و در نهایت از سرویس خارج شدن کل شبکه وجود دارد.
استفاده از سیستم‌های ذخیره‌کننده مغناطیسی انرژی نیرومند در شبکه قدرت از اهمیت خاصی برخوردار است. با توجه به قابلیت ذخیره‌سازی بسیار زیاد انرژی سیم‌پیچهای ابررسانا در میدان اطراف خود و امکان تحمل جریانهای بالا به علت مقاومت تقریباً صفر آنها و همچنین پیشرفتهای شایان توجه اخیر در ساخت سیستم‌های ابررسانای دمای پایین و دمای بالا، امید تازه‌ای در استفاده از آنها در شبکه‌های قدرت به منظورهای گوناگون پیدا شده است.
با یک بررسی اجمالی می‌توان دید که عدم وجود یک سیستم ذخیره‌کننده انرژی هنگام ناپایداری شبکه قدرت و در نتیجه قطعی برق آن تا چه حد می‌تواند هزینه‌بردار و مخرب باشد به عنوان مثال هزینه هر بار قطع شدن برق در یک کارخانه اتومبیل‌سازی ماهانه 000/250 دلار بوده و این ضرر تا زمانی که تعمیرات کلی در سطح کارخانه صورت نگیرد ادامه خواهد داشت. ذخیره‌کننده‌های مغناطیسی انرژی با استفاده از ابررسانا (SMES) دارای مزایایی چون: تعدیل منحنی پیک‌بار، حفاظت از ژنراتورها و نگهداری و پایداری شبکه در هنگام وقوع خطا در نقاط مختلف شبکه، استفاده به عنوان سیستم برق اضطراری با توان بالا، تثبیت ولتاژ و فرکانس در شبکه و غیره است که باعث شده تا کار تحقیقات بر روی سیستم‌های SMES با شدت و سرعت بیشتری توسط کشورهای پیشرفته و شرکتهای بزرگ تولید و انتقال برق در دنیا دنبال شود.
در این مقاله ضمن بررسی موارد بالا، تاثیر SMES در یک شبکه قدرت بررسی شده و همچنین این سیستم با سیستم‌های ذخیره‌کننده انرژی دیگر مقایسه می‌شود. همچنین سیستم‌های SMES از نظر اقتصادی مورد مطالعه و بررسی قرار خواهد گرفت.
اصولاً یک سیستم قدرت در ساعات مختلف شبانه‌روز دارای مصارف مختلفی است،‌بنابراین میزان تولید انرژی باید متناسب با نیاز مصرف‌کننده تغییر کند. همچنین در یک شبکه وسیع، مشکل تثبیت ولتاژ، تاثیرات هارمونیکها، نامتعادل شدن ناگهانی شبکه در هنگام بروز خطا و در نتیجه از کارافتادن ژنراتورها و در نهایت از سرویس خارج شدن کل شبکه وجود دارد. برای رفع این مشکل تاکنون راه‌حلهای گوناگونی ارایه شده که به همراه مزایا و معایب سیستم SMES در مقایسه با سیستم‌های معرفی شده دیگر در قسمتهای بعد آورده می‌شود.
با توجه به اینکه عیوب فوق‌الذکر تاثیرات بسیار نامطلوبی بر ژنراتور نیروگاهها و تاسیسات شبکه داشته و بسیار پرهزینه و مضرند، یک سیستم SMES قوی با طراحی صحیح و جایگذاری دقیق در شبکه می‌تواند به طور موثر باعث کاهش هزینه جاری و تعمیر و نگهداری کل شبکه شود.
کشورهایی چون کانادا، ژاپن، سوئیس و آمریکا به طور وسیعی بر روی SMES کار می‌کنند و تاکنون بیش از 20 نمونه از این سیستم با قابلیتها و ظرفیتهای مختلف ساخته‌اند.
در ابتدا معرفی مختصری از سیتم SMES خواهد شد و سپس نقش و تاثیرات عملی آن در یک شبکه قدرت نمونه آورده می‌شود.


 چگونگی ساختار یک سیستم SMES

جزء اصلی یا هسته اساسی یک سیستم SMES، سیستم ابررسانایی آن است. به طور کلی تاکنون دو نوع ابررسانا ساخته شده است. نوع اول ابررساناهای دمای پایین‌اند که هادی ابررسانا معمولاً یک فلز خالص مانند مس یا آلومینیوم بوده و دمای کار آن در حدود 2/4 K است. با وجود مقاومت در حد صفر سیم ابررسانا، میزان تحمل جریان میدان مغناطیسی در سیم با داشتن یک سیستم تبرید خوب، بالاست،‌به حدی که فن‌آوری جدید، جریانهایی در حدود صدها هزار آمپر را در سطح مقطعهای در حدود سانتی‌متر مطرح می‌کند. برای رسیدن به چنین دمای پایینی، محققان تاکنون چندین روش پیشنهاد کرده و وسایل و سردکننده‌های متنوعی ساخته‌اند. در خنک کردن ابررسانا از هلیم مایع استفاده می‌شود که این هلیم توسط لوله مخصوصی که چند جداره بوده و دارای دیواره خلا است به یک یخچال سیکل بسته فرستاده می‌شود. روش دیگر، مایع کردن گاز تبخیر شده از مخزن هلیم حاوی سیم‌پیچهای ابررساناست. برای جلوگیری از انتقال گرما از بیرون به مخزن درونی، از دو یا چند لایه خلا استفاده می‌شود. به جای دو یا چند لایه خلا می‌توان از یک لایه نیتروژن مایع نیز استفاده کرد.اخیراً محققان از مواد ابر عایق نیز در این مورد بهره جسته‌اند.
سیم‌پیچ ذکر شده فوق دارای امپدانس بسیار زیادی بوده و مانند یک منبع جریان DC عمل می‌کند. نکته قابل توجه این است که جهت جریان هیچ‌گاه در سیم‌پیچ ابررسانا عوض نمی‌شود بلکه در هنگام دشارژ سیم‌پیچ، ولتاژ دو سر آن معکوس می‌شود بنابراین سیستم SMES در واقع یک واحد DC است که بیشتر کاربردها با یک سیستم AC ترکیب می‌شود. معمولاً این ترکیب توسط یک کانورتور دو طرفه AC به DC و DC به AC امکانپذیر است که می‌تواند برای شارژ و دشارژ سیم‌پیچ ابررسانا و همچنین تنظیم و کنترل توان ارسالی یا دریافتی به کار برده شود. به عبارت دیگر این کانورتور باید قادر باشد که ولتاژ و جریان DC متغیر را از سیم‌پیچ ابررسانا گرفته و به یک ولتاژ AC ثابت و جریان بار با مقادیر و اختلاف فازهای متفاوت تبدیل کند.
نمونه‌ای از نمودار بلوکی ساده شده یک سیستم SMES که به صورت موازی به سیستم قدرت متصل شده است.

مدار شامل یک سیستم کنترل‌کننده است که دارای سه وظیفه اصلی است

کنترل سوئیچهای نمیه‌هادی ایزوله، مشخص کردن و آشکار ساختن ولتاژها و جریانهای منبع توان و مصرف‌کننده‌ها و کنترل ولتاژ تنظیم‌کننده، میزان و جهت توان DC گرفته شده یا داده شده به سیم پیچ ابررسانای سیستم SMES.


نمودار بلوکی، بیشتر برای سیستم‌های کوچک مناسب بوده و تا حدی شبیه به یک سیستم برق اضطراری و تثبیت‌کننده ولتاژ عمل می‌کند. همچنین از دیگر مزایای این سیستم می‌توان اصلاح ضریب قدرت را نام برد.
نمونه دیگری از اجزای تشکیل‌دهنده یک سیستم SMES را نشان می‌دهد که جزئی از سیستم قدرت پرسک‌آیزل واقع در میلواکی آمریکا در سال 1991 بوده که در بخشهای بعدی به آن پرداخته خواهد شد. توان مورد نظر برای سیستم مزبور 100 مگاوات با ضریب توان 9/0 است.


نحوه کار سیستم SMES
سیم‌پیچ ابررسانا توسط یک یکسوساز AC به DC که در منبع تغذیه سیم‌پیچ ابررسانا قرار دارد شارژ می‌شود، شارژ‌کننده سیم‌پیچ به منظور غلبه بر تلفات اهمی آن قسمت از مدار که در دمای محیط قرار دارد، ولتاژ کوچکی در دو سر سیم‌پیچ ایجاد می‌کند. این مساله باعث می‌شود که جریان ثابتی در سیم‌پیچ ابررسانا جاری شود. در حالت آماده به کار یعنی زمانی که هیچ تبادل توانی با سیم‌پیچ انجام نمی‌شود جریان ذخیره‌ شده سیم پیچ توسط یک سوئیچ که دو سر سیم‌پیچ را اتصال کوتاه می‌کند دوباره به خود سیم‌پیچ ابررسانا بازگردانده شده و حالت گردشی پیدا می‌کند. در نتیجه انرژی سیم پیچ ابررسانا حفظ می‌شود. در بعضی از مدلهای SMES این سوئیچ به داخل مخزن حاوی سیم‌پیچ انتقال پیدا کرده که با طرق مختلف از بیرون مخزن به آن فرمان داده می‌شود. بدون قرار دادن این سوئیچ اتصال کوتاه کننده میزان تلفات سیم‌پیچ در حالت آماده به کار زیاد خواهد بود. مانند قبل منبع تغذیه سیم پیچ به منظور جبران تلفات اهمی قسمتی از مدار که در گرمای محیط قرار دارد ولتاژ کوچک را در دو سر سیم‌پیچ ابررسانا تولید می‌کند.
اگر سیستم کنترل‌کننده حس کند که ولتاژ خط سیستم قدرت به خاطر تضعیف و یا خطای اتفاق افتاده در شبکه کاهش پیدا کرده، کلید اتصال کوتاه‌کننده ظرف مدت 200 تا 500 میکروثانیه قطع خواهد شد. به دنبال این امر ابتدا جریان سیم‌پیچ ابررسانا به یک بانک خازنی قوی منتقل شده و سطح ولتاژ آن را بالا می‌برد. سپس سوئیچ دوباره بسته می‌شود. بانک خازنی یک اینورتر 12 پالسه را که تامین‌کننده توان AC مورد نیاز بار است تغذیه می‌کند.
بار مورد نظر باعث کاهش توان و افت ولتاژ بانک خازنی می‌شود تا حدی که این ولتاژ به یک حداقل می‌رسد در این حالت مجدداً کلید اتصال کوتاه‌ باز شده و بانک خازنی شارژ می‌شود.
این فرایند آن قدر ادامه می‌یابد تا افت ولتاژ خط تامین شده و ولتاژ خط به حالت عادی باز گردد و یا اینکه انرژی ذخیره شده در سیم‌پیچ ابررسانا پایان یابد. ابعاد و ظرفیت سیستم طوری طراحی می‌شود که انرژی ذخیره‌شده در سیم‌پیچ بتواند تا بازگرداندن ولتاژ خط تغذیه‌کننده به حالت عادی تداوم پیدا کرده و کافی باشد.
سیستم به نحوی طراحی شده که می‌تواند قدرت چندین مگاوات را برای جبران‌سازی توان از دست رفته در اثر خطا در مدتی کمتر از 23 میلی‌ثانیه به خط تزریق کند. بدین ترتیب هیچ‌گونه افت ولتاژ یا قطعی انرژی از طرف بار مشاهده نمی‌شود.
شارژ شدن دوباره سیم‌پیچ ابررسانا طی چند دقیقه انجام می‌شود و تعداد شارژ و دشارژ می‌تواند بارها تکرار شود. همچنین برای برآوردن بعضی از نیازها امکان شارژ سریع در حد چند ثانیه نیز امکانپذیر است. البته باید شبکه قدرت، قادر به تامین این میزان توان بوده و شارژ سریع سیم پیچ ابررسانا باعث افت ناگهانی در ولتاژ شبکه نشود. از خصوصیات سیستم این است که در زمان افت ولتاژ خط، حداکثر ظرف مدت 5/0 میلی‌ثانیه این ولتاژ باید تامین شود.


نقش و تاثیرات سیستم SMES در یک شبکه قدرت نمونه
در این قسمت نقش و تاثیر نصب یک سیستم SMES در یک شبکه قدرت آورده شده است. این تحقیق در منطقه پرسک‌آیزل میلواکی آمریکا انجام شده است. شرکت تولید برق ویسکانسین (WE) با بیش از 000/900 مشترک و حداکثر بار 535 مگاوات وظیفه تامین انرژی الکتریکی این منطقه را بر عهده دارد. پرسک‌آیزل از 9 واحد تولیدی با سوخت ذغال با حداکثر ظرفیت 594 مگاوات تشکیل شده است که شامل 5 واحد بزرگ (هر کدام 80 تا 85 مگاوات) دو واحد متوسط (75 تا 58 مگاوات) و دو واحد کوچک با حداکثر ظرفیت کلی 62 مگاوات است. این سیستم قرار است در سال 1999 از پرسک‌آیزل به زیرمجموعه پلینز و ویسکانسین مرکزی تقسیم شود که از دو خط 138 کیلوولت و یک خط 345 کیلوولت تشکیل می‌شود. در سطح حداکثر بار، سیستم توزیع اقتصادی تعیین می‌کند که حدود 500 مگاوات از پرسک‌آیزل برای جنوب به سوی پلینز فرستاده شود و 415 مگاوات از ایستگاه دوم پلینز به جنوب انتقال یابد.
پیک بار سیستم بنا به تعریف آن زمانی است که بار سیستم حداقل به 90 درصد مقدار حداکثر آن برسد و مدت زمان آن 100 ساعت در سال است. بررسیهای پایداری نشان داده‌اند که قطع برق در نقاط مختلف سیستم انتقال در حد 500 مگاوات منجر به ناپایداری نوسان اول در پرسک‌آیزل یا منجر به اضافه بارهای سیستم می‌شود. به خاطر فشارهای شدید اعمال شده بر واحد تولید، ناشی از عمل تریپ در هنگامی که واحد با توان زیاد کار می‌کند لازم است که مقدار تریپ تولیدی برای انواع خطاهای احتمالی کاهش داده شود.
انتخابهای انجام شده زیر، اصلاحاتی برای سیستم در بر دارند که در هر مورد سطح تریپ تولید را کاهش می‌دهند.
انتخاب اول نصب یک سیستم SMES در سال 1999 در پرسک‌آیزل است. SMES برای بهبود پایداری نوسان اول و فراهم کردن میرایی به کار برده می‌شود. در حقیقت SMES منتقل‌کننده توان لحظه‌ای است یعنی توان اکتیو را طی دوره‌های سرعت بالا در واحد پرسک‌آیزل ذخیره کرده و در زمان پایین بودن سرعت، آن را آزاد می‌کند.
سیستم احساس و ردیابی اغتشاشات باس 138 کیلوولت در پرسک‌آیزل طراحی شده و به همراه سیستم برای
اطمینان از پاسخ دینامیکی مناسب سیستم کار خواهد کرد.

انتخاب دوم نصب یک سیستم SMES همراه یک مقاومت ترمزی در پرسک‌آیزل در سال 1999 است. SMES پایداری نوسان اول ومیرایی را بهبود بخشیده و مقاومت ترمزی نیز نقش SMES را تقویت کرده و باعث کوچکتر شدن اندازه آن می‌شود. مقاومت ترمزی مذکور به صورت یک بار مقاومتی مدلسازی شده که می‌تواند به طور لحظه‌ای قطع و وصل شود. این مقاومت بعد از عملکرد بحرانی کلید خط، وصل شده و بعد از زمان مشخصی قطع می‌شود.

انتخاب سوم افزودن یک پایدار‌کننده سیستم قدرت (Pss) در هر کدام از 5 واحد بزرگ تولید نیرو در پرسک‌آیزل است. این سیستم‌ها برای تطبیق تحریک هر ژنراتور و ایجاد یک پاسخ میرا شونده در هنگام اغتشاشات سیستم تنظیم شده‌اند. البته مشکلی که این وسایل دارند این است که در بهبود پایداری نوسان اول نقشی ندارند.

ابداع سیم‌های جریانی ابر رسانای اکسیدی 20 کیلو آمپر
شرکت های فورکاوا (fur kava‌) و فوجیکورا (Fuji Kura) مشترکا اقدام به ساخت سیم‌های فوق هادی اکسید اتریم کلاس 20 کیلو آمپر نموده‌اند ، که بیشترین میزان جریان در جهان است . از این سیم‌ها در سیستمهای SMES (ذخیره سازی مغناطیسی در ابر رسانا) با ظرفیت ذخیره سازی انرژی KWh10 می‌توان استفاده کرد. این ابداع به عنوان بخشی از برنامه بزرگتری به نام ابداع فناوری اجزاء برای SMES  در مقیاس کوچک انجام گرفته که مورد پشتیبانی آژانس منابع طبیعی و انرژی متعلق به وزارت صنعت و تجارت بین‌الملل بوده و از طریق مرکز فناوری ابر رسانا، به شرکت برق چوبو ( chubu ) واگذار شده است . شرکت‌های فورو کاوا و فوجیکورا طبق سفارشی از سوی شرکت برق چوبو ، مسئول ساخت سیم‌های جریانی ابر رسانا گردیده‌اند. فناوری SMES به نوع خاصی از سیم‌های هادی جریان الکتریکی نیاز دارد که بتوانند تجهیزات منابع توان الکتریکی را در دمای محیط به سیم پیچ ابری رسانای ذخیره ساز انرژی که در دمای هلیم مایع یعنی 269- درجه سانتیگراد است متصل کند تا بدینوسیله بتواند توان را بین سیستم‌های دوالمانه انتقال دهد . سابقا از سیم‌های مسی استفاده می‌شد و با خنک کردن آنها مقاومت الکتریکی سیم را کاهش داده و به این ترتیب مانع ایجاد گرما بواسطه هدایت الکتریکی و همچنین گرمای ناشی از هدایت گرمایی از طریق کاهش سطح مقطع می‌گردیدند . در صورت ساختن سیم‌های جدید با استفاده از خاصیت ابر رسانائی ، تلفات الکتریکی ناشی از مقاومت طبیعتا صفر خواهد شد . به خاطر کاهش سطح مقطع ، شارش گرمان به نحو قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهد یافت.  ظرفیت جریانی این سیم‌ها چند هزار برابر بیشتر از سیم‌های مسی است و هدایت گرمایی کم ابر رسانای اکسیدی به جلوگیری از هدایت گرما کمک خواهد کرد. بنابراین انتظار می‌رود که سیم‌های ابر رسانا اکسیدی با ظرفیت بالا بتوانند راندمان سیستم‌های SMES را به میزان زیادی افزایش دهند .
منبع : شرکت برق فوروکاوا- ژاپن
آدرس:http://www.furukawa,co.jp

ترانسفورماتورهای سازگار با هارمونیک
ترانسفورماتورهای مقام عاملk
هارمونیک‌های تولید شده توسط بارهای غیر خطی می‌توانند مشکلات حرارتی و گرمائی خطرناکی را در ترانسفورماتورهای توزیع استاندارد ایجاد نمایند. حتی اگر توان بار خیلی کمتر از مقدار نامی آن باشد، هارمونیک‌ها می‌توانند باعث گرمای بیش از حد و صدمه دیدن ترانسفورماتورها شوند. جریان‌های هارمونیکی تلفات فوکو را بشدت افزایش می‌دهند. بهمین دلیل سازنده‌ها، ترانسفورماتورهای تنومندی را ساخته‌اند تا اینکه بتوانند تلفات اضافی ناشی از هارمونیک‌ها را تحمل کنند. سازنده‌ها برای رعایت استاندارد یک روش سنجش ظرفیت، بنام عامل k را ابداع کرده‌اند. در اساس عامل k نشان دهنده مقدار افزایش در تلفات فوکو است. بنابر این ترانسفورماتور عامل k ترانسفورماتور باشد. مقادیر استاندارد عامل k برابر با 4 ،9 ،13 ،20 ،30 ،40 ،50 می‌باشند. این نوع ترانسفورماتورها عملاً هارمونیک را از بین نبرده تنها نسبت به آن مقاوم می‌باشند.

ترانسفورماتور HNT (Harmonic Mitigating Transformer
 نوع دیگر از ترانسفورماتورهای سازگار با هارمونیک ترانسفورماتورهای HMT هستند که از صاف شدن بالای موج ولتاژ بواسطه بریده شدن آن جلوگیری می‌کند. HMT  طوری ساخته شده‌است که اعوجاج ولتاژ سیستم و اثرات حرارتی ناشی از جریان‌های هارمونیک را کاهش می‌دهد. HMT  این کار را از طریق حذف فلوها و جریان‌ها هارمونیکی ایجاد شده توسط بار در سیم ترانسفورماتور انجام می‌دهد. چنانچه شبکه‌های توزیع نیروی برق مجهز به ترانسفورماتورهای HMT گردند می‌توانند همه نوع بارهای غیر خطی (با هر درجه از غیر خطی بودن) را بدون اینکه پیامدهای منفی داشته باشند، تغذیه نمایند. بهمین دلیل در اماکنی که بارهای غیر خطی زیاد وجود دارد از ترانسفورماتور HMT بصورت گسترده استفاده می‌شود.

مزایای ترانسفورماتور HMT :
• می‌توان از عبور جریان مؤلفه صفر هارمونیک‌ها (شامل هارمونیک‌های سوم، نهم و پانزدهم ) در سیم پیچی اولیه، از طریق حذف فلوی آنها در سیم پیچی‌های ثانویه جلوگیری کرد.
• ترانسفورماتورهای HMT با یک خروجی در دو مدل با شیفت فازی متفاوت ساخته می‌شوند. وقتی که هر دو مدل با هم بکار می‌روند می‌توانند جریان‌هاتی هارمونیک پنجم، هفتم،هفدهم و نوزدهم را در قسمت جلوئی شبکه حذف کنند.
• ترانسفورماتورهای HMT با دو خروجی می‌توانند مولفه متعادل جریان‌های هارمونیک پنچم، هفتم، هفدهم  و نوزدهم را در داخل سیم پیچی ثانویه حذف کنند.
• ترانسفورماتورهای HMT با سه خروجی می‌توانند مولفه متعادل جریانهای‌ هارمونیک پنچم، هفتم، یازدهم و سیزده را در داخل سیم پیچی‌های ثانویه حذف کنند.
• کاهش جریان‌های هارمونیکی در سیم پیچی‌های اولیه HMT باعث کاهش افت ولتاژهای هارمونیکی و اعوجاج مربوط می‌شود.
• کاهش تلفات توان بعلت کاهش جریان‌های هارمونیکی. بعبارت دیگر ترانسفورماتور HMT باعث ایجاد اعوجاج ولتاژ خیلی کمتری در مقایسه با ترانسفورماتورهای معمولی یا ترانسفورماتور عامل K می‌شود.
منبع: مجله power Quality Advisor – فوریه 2000

پیشبرد ابر رساناها با کمک فشار

ابررساناها میتوانند 150 بار بیشتر از سیم های مسی الکتریسیته را هدایت کنند.چون این مواد حرکت الکترونها که اساس رسانش هستند را محدود نمیکنند.اما برای رسیدن به شرایط ابر رسانایی،مواد باید تا زیر یک دمای بسیار پایین (به اصطلاح دمای گذار)سرد شوند که این موضوع استفاده گسترده از آنها را غیر عملی میسازد.

اکنون برای اولین بار دانشمندان کشف کرده اند که علاوه بر دستکاری های شیمیایی،شرایط ابر رسانایی با اعمال فشار بالا روی ابررساناهای به اصطلاح دمای زیاد( high-temp)نیز میتواند رخ دهد.این کشف پنجره جدیدی را برای درک و کنترل این مواد جادویی میگشاید.

در گذشته ابر رساناها باید تا دماهای بینهایت کم (زیر  20 k یا -423 F )سرد میشدند. اما در دهه 1980 دانشمندان دسته دیگری از مواد از جنس اکسیدهای مس سرامیکی (کاپریتها)کشف کردند که ابررساناهای دمای بالا نامیده شدند.دانشمندان دریافتند که در دمای بالایی در حدود 135 k این مواد به حالت ابررسانایی گذار میابند.فهم چگونگی کارکرد این مواد و همچنین دستکاری آنها،برای عمل کردن در دماهای بالاتر،اکنون یکی از مهم ترین مسائل حل نشده فیزیک است.

Viktor Struzhkin از همکاران این مطالعه در آزمایشگاه ژئوفیزیک موسسه کارنگی میگوید:

"در ابر رساناهای کاپریتی،اتم ها در یک ساختار لایه لایه منظم شده اند.وقتی ماده به حالت ابررسانایی گذار می یابد،تغییراتی در صفحات اکسید- مس رخ میدهد.اسپینهای الکترونی متفاوت رفتار میکنند،انرژی ارتعاشی دستخوش تغییر میشود،بارها متفاوت رفتار میکنند و از این دست اتفاقات."

همکار دیگر این مطالعه Alexander Goncharov چزئیات را اینطور شرح میدهد:

"بعد از سالها دانشمندان فهمیدند که دمای انتقال با مقادیر خاصی از دوپینگ میتواند افزایش یابد.عمل دوپینگ در این حالت افزودن ذرات باردار است.( چه الکترونهای با بار منفی و چه حفره های با بار مثبت)ما میخواستیم اثر فشار بالا را روی یک کاپریت دمای بالا با پایه بیسموت (Bismuth )ببینیم.فشار این حسن را دارد که میتواند به تدریج و در یک رنج پیوسته اعمال شود؛درست مثل تنظیم یک رادیو؛ما به تدریج فشار را روی ابررسانا تنظیم کردیم و توانستیم مشاهده کنیم که در یک بازه گسترده فشار چه اتفاقی می افتد."

این محققان اثرات زیر اتمی را در مواد در فشار نزدیک به350,000  برابر فشار اتمسفر در سطح دریا (35 Gpa)با کمک گرفتن از یک حفره سندان مانند الماسی برای فشرده کردن نمونه و هم چنین تکنیکهای اندازه گیری تغییرات مثل طیف نگاری رامن (Raman ) یا پراش پرتو X مشاهده کردند.

Tanja Cuk رهبر گروه و دانشجوی دانشگاه استنفورد که این کار را به عنوان قسمتی از تحقیقات تز دکتری خود انجام داده،خاطر نشان می کند:

" 21 GPa   عددی جادویی بود؛ یک فشار بحرانی؛ با فشرده سازی ساختار ما توانستیم تغییرات را در 6 خاصیت فیزیکی مشاهده کنیم.نکته هیجان انگیز اینجا بود که این تغییرات،شبیه به چیزهایی بود که پس از دوپینگ مواد تا حالت بهینه مشاهده میشود و این موضوع به این معنی است که فشار بحرانی احتمالا با دوپینگ مرتبط است.علاوه بر آن ما با این کشف  که فشار میتواند جایگزین دما و عمل دوپینگ شود،به رویکردی کاملا جدید،برای مطالعه خواص پشت پرده ابررساناهای با تکنولوژی بالا (high-Tc) دست یافته ایم."

به گفته Struzhkin این مطالعه با ایجاد یک دورنمای کاملا جدید از ابررساناهایی که با کمک تغییر فشار بدست آمده اند یک گام مارا به فهم مکانیسم ابررسانایی دمای بالا نزدیک میکند.

مشاهده میشود که ابررسانش مرز بین عایق بودن و حالت فلزی است.ممکن است با کاربرد این فشارهای بالا ما بتوانیم کلید گم شده در مکانیسم ابررسانش دمای بالا را کشف کنیم و چندین قدم به استفاده ابررساناها در زندگی روزمره نزدیک شویم.موضوعی که میتواند کل سامانه های انرژی ما را تغییر دهد.

 ابر رسانایی ,که در سال 1911 توسط هایکه کامرلین انز کشف شد ,یک پدیده است که در بعضی مواد  در دما های بسیار پایین (در حدود 200- سلسیوس )رخ میدهد.از شناسه های  این پدیده نبودن هیچ گونه مقاومت الکتریکی و توانایی دفع میدان مغناطیسی  داخلی آن (یا اثر مایزنر )است.

مقاومت یک رسانا  با کاهش دما کاهش می یابد ولی در رسانا ها, معمول, مانند مس و نقره, حتی در نزدیک صفر مطلق نیز مقاومت صفر نمی شود. در عوض مقاومت ابر رسانا اگر دما به زیر دمای بحرانی آن ابر رسانا برسد یکباره صفر می شود .

مانند فرو مغناطیس بودن و خطوط طیف اتمی ابر رسانایی یک پدیده ی مکانیک کوانتومی می باشد.و نمیتوان آن را به صورت " حالت آرمانی رسانایی کامل" از دید  فیزیک کلاسیک نگاه کرد.

 ابر رسانایی در انواع زیادی از مواد رخ میدهد مثلا در عناصر ساده ای مانند آلومینیوم وقلع ,بعضی آلیاژ ها ونیز نیمرساناهای پر-آلایش. در "فلز های نجیب"(فلزاتی که میل ترکیبی کمی دارند)مانند طلا و نقره و همچنین مواد فرومغناطیس این اتفاق نمی افتد.

 

 

 

 در سال 1986 خانواده جدیدی از ابررسانا ها معرفی شد که این قابلیت را داشتند که در دمای بحرانی آنها بالا تر مثلا در حدود 90 درجه ی کوین ابررسانا شوند.این مواد باعث شدند که علاقه مندی و تحقیقات روی مواد ابر رسانا بیشتر شود.این مواد جدید پدیده ی نوینی را معرفی کردند که  نظریه ی کنونی برای ابررسانا آن را توضیح نداده بود.



ویژگی های اصلی ابررسانا ها

بیشتر ویژگی های فیزیکی ابررسانا ها در مواد مختلف متفاوت است مانند ظرفیت گرمایی و دمای بحرانی که ابررسانایی در آن دما شروع می شود.ولی در عوض ویژگی هایی وجوددارند که به نوع ماده ی ابررسانا شده بستگی ندارد.مثلا همه ی آنها دارای مقاومت صفر در برابر جریان های کم( بدون حضور میدان مغناطیسی خارجی) هستند.وجود این ویژگی های "جهانی" نشان می دهد که ابر رسانایی یک حالت ترمودینامیکی است و دارای بعضی ویژگی های متمایز است که از جزئیات میکروسکوپی به طور زیادی مستقل است.
ابر رسانا ها قادرند یک جریان را بدون اعمال هیچ گونه ولتاژی ثابت نگه دارند ویژگی ای که در آهنرباهای الکتریکی داخل MRI استفاده می شود.آزمایشات نشان می دهند که جریان در سیمپیچ های ابررسانا  سال ها بدون کاهش قابل اندازه گیری  ادامه می یابند.از نظر آزمایشگاهی جریان در ابررسانا ها تا 100,000 سال و از نظر تئوری تا عمر جهان ادامه می یابد.

در یک رسانای معمولی جریان الکتریکی را می توان یک سیال از الکترون هایی دانست که در یک شبکه ی  یون  سنگین  حرکت    می کنند.الکترونها دائما با یون های شبکه برخورد می کنند و در هر برخورد مقداری از انرژی جریان توسط شبکه جذب شده و به گرما تبدیل می شود(که در اصل انرژی جنبشی نوسانی یون های شبکه است)در نتیجه انرژی جریان تلف می شود. این پدیده مقاومت الکتریکی نام دارد.

ولی در ابر رسانا موضوع فرق می کند.در یک ابررسانا جریان سیال الکترونیکی نمی تواند به صورت الکترون های تک در نظر گرفته شود.در عوض از  جفت الکترونهای به هم مجاور که جفت های کوپر نامیده می شود تشکیل شده و یک ابر سیال الکترونی تشکیل می دهند .دلیل اینکه الکترون ها  می توانند به صورت جفت در کنار هم قرار بگیرند این است که ....
 

نظریه ی BCS
نام این نظریه گرفته شده از اول نام پدید آورندگان این نظریه است.این نظریه بیان می کند که الکترون ها یی با اسپین مخالف میتوانند با هم جفت بشوند و جفت های کوپر را تشکیل بدهند.در بسیاری از  ابررسانا ها  جاذبه بین الکترون ها ( برای جفت شدن )بوسیله ی بر هم کنش بین الکترون ها و و شبکه ارتعاش کننده ی بلور بوجود می آید .به طور تصویری می توان گفت:

یک الکترون, که در درون رسانا حرکت می کند, بارهای مثبت نزدیک را در شبکه ی بلور جذب می کند. این به هم ریختگی بلور باعث می شود که یک الکترون دیگر با اسپین مخالف به منطقه ای که دارای چگالی بار مثبت بیشتری است برود. دو الکترون با یک انرژی جاذبه  به هم وصل می شوند. اگر این انرژی بیشتر از انرژی تامین شده توسط ضربه های اتم های نوسان کننده ی رسانا باشد (که در دماهای پایین این اتفاق می افتد ) این جفت الکترون به هم  می چسبند و در مقابل ضربه ها مقاومت نشان می دهند به همین دلیل مقاومت الکتریکی حاصل نمی شود .




در نوع دیگری از ابررسانا ها که ابر رسانا های تیپ 2 نامیده می شوند (ابررساناهای دما-بالا هم از این دسته می باشند.) در دمای مقداری پایینتر از دمای بحرانی مقاومت بسیار کمی( هنگامی که جریان همراه با میدان مغناطیسی قوی باشد) مشاهده می شود.دلیل این پدیده وجود حرکت های گردابی در درون ابر سیال است که مقداری از انرژی جریان راتلف می کند. مقاومت ناشی از این حالت در مقایسه با رساناهای معمولی بسیار ناچیز است ولی در آزمایشات حساس باید در نظر گرفته شود. هنگامی که دما پایینتر از از دمای تغییر فاز(دمایی که آثار ابررسانایی مشاهده می شود) می رود این گرداب ها "منجمد" شده و به حالت پایداری میرسند که "شیشه های گردابی "نام دارند.در دماهای پاینتر از دمای تشکیل این شیشه ها مقاومت به صفر میرسد. 


اثر مایزنر meissner effect
وقتی که یک ابر رسانا درون یک میدان مغناطیسی ضعیف قرار میگیرد, میدان در درون ابررسانا تا اندازه ی مشخص (که عمق نفوذ نام دارد) نفوذ می کند و بعد از آن به طور ناگهانی از بین میرود.این پدیده را اثر مایزنر می نامند که از شناسه های ابررسانایی است. برای اکثر ابررسانا ها عمق نفوذ  تقریبا 100 نانو متر است.

اثر مایزنر بعضی اوقات با دیامغناطیسم که ما در از یک  رسانای کامل انتظار داریم ,اشتباه می شود:طبق قانون لنز  وقتی که یک میدان مغناطیسی متغیر به یک رسانا اعمال می شود,یک جریان را در درون رسانا القا می کند که میدان مغناطیسی ناشی از آن با میدان مغناطیسی اعمال شده مخالفت می کند.در یک رسانای ایده آل جریان بزرگتری القا می شود که میدان مغناطیسی حاصل به طور کامل میدان اعمال شده را خنثی می کند.
اثر مایزنر با این فرق می کند! زیرا ابررسانا ها همه ی میدان های مغناطیسی را دفع می کند:چه متغیر وچه ثابت! فرض کنید که  یک ماده را در دمای معمولی داشته باشیم که یک میدان مغناطیسی یکنواخت به آن اعمال شده.وقتی این ماده به زیر دمای بحرانی خود سرد می شود مشاهده می شود که میدان مغناطیسی  ناگهانی از خود, که با میدان مغناطیسی اعمال شده مخالفت می کند< ایجاد می کند.
وقتی که میدان مغنطیسی اعمالی بزرگ باشد اثر مایزنر از بین میرود.ابررسانا ها با توجه به اتفاقاتی که  برای آنها بعد از اعمال میدان مغناطیسی بزرگتر(بزرگتر از حد معینی که اندازه ی بحرانی نام دارد ) به دو تیپ تقسیم می شوند.



کاربرد های ابر رساناها
ابر رسانا ها برای ساختن قوی ترین آهنرباهای الکتریکی استفاده می شوند;در MRIو در آهنرباهای پرتو-هدایت کن در شتابدهنده ی ذرات.همچنین برای جداسازی  مواد با خاصیت آهنربایی کم از مواد غیر آهنربا در صنعت رنگرزی استفاده می شود.
در مدار هایSQUID  و همچنین مدار های دیجیتال نیز از ابررسانا ها استفاده می شود.
برخی از استفاده های آن که  برای استفاده در آینده پیش بینی شده اند عبارت اند از ترانسفورمر ها موتور های الکتریکی(مثلا ماشین ها یا قطار ها),وسایل شناور ساز مغناطیسی و.... .اما خاصیت ابررسانایی به میدان های مغناطیسی متغیر حساس است به همین دلیل کار کردن با آنها در زمینه هایی که جریان متناوب وجود دارد مشکلتر از جریان مستقیم است

جان تی سه، مسئول تحقیقات دانشگاه ساسکاچوان کانادا به همراه همکارانش در آلمان، خانواده جدیدی از ابر رسانا ها را شناسایی کرده اند - پژوهشی که می تواند به طراحی بهتری از مواد ابر رسانا برای کابردهای متنوع و گسترده در صنعت منجر شود.

در مقاله ای که در ژورنال Science منتشر شد، این تیم اولین اثبات آزمایشی خود را ارائه داد مبنی بر اینکه خاصیت ابر رسانایی می تواند در ترکیبات هیدروژن با عنوان مولکول های هیدریدی اتفاق بیفتد.

به گزارش خبرگزاری برق، الکترونیک و کامپیوتر ایران (الکترونیوز) و به نقل از ساینس دیلی، تی سه گفت: "می توانیم نشان دهیم چنانچه شما هیدروژن را در یک ترکیب مولکولی قرار دهید و فشار بالایی هم به آن اعمال کنید، می توانید ابر رسانایی را ایجاد کنید. اعتبار این فرضیه و فهمیدن مکانیزم این عمل، قدم های ابتدایی برای طراحی مواد ابر رسانای بهتر می باشد . "

ابر رساناها، بدون هیچ گونه تلفات گرمایی و اصطکاک قادر به هدایت الکتریسیته هستند. جریان الکتریکی، می تواند در یک حلقه از سیم های ابر رسانا جاری شود، بدون اینکه نیازی به منبع انرژی داشته باشد. به عنوان مثالی از وجود مواد ابر رسانا، می توان به آهنرباهایی که در ماشینهای MRI وجود دارند و همچنین آهنرباهایی که بدون هیچ گونه اصطکاک و یا تلفات انرژی به صورت گرما، قادر به شناور کردن قطارهای پر سرعت در بالای ریل ها هستند.

میخائیل ارمتز، یکی از اعضای تیم و عضو موسسه ماکس پلانک آلمان، کارهای آزمایشگاهی را در شناسایی ابر رسانایی در ترکیب هیدروژن سیلان انجام داد. در حالی که تی سه و دانشجوی فارغ التحصیلش یان سون یائو مشغول به انجام کارهای تئوریک برای رسیدن به مکانیزم موجود و شناسایی ساختار شیمیایی موجود بودند.

بسیاری از مواد ابر رسانای تجاری، می باید در دمای پایین عمل کنند که این خود نیاز به تجهیزات پر هزینه خنک کننده دارد.

تی سه ابراز کرد :" پژوهش ما در این زمینه با هدف بهبود دمای بحرانی برای ابر رسانایی است تا ابر رساناهای جدید بتوانند بدون حضور سرد کننده ها در دماهای بالاتری به کار گرفته شوند. "

زمان زیادی است که این فرضیه مورد قبول بوده است که هیدروژن به عنوان ساده ترین عنصر در طبیعت، چنانچه به صورت یک جامد بسیار متراکم و غلیظ فشرده شود قابلیت هدایت الکتریکی را بدون هیچ گونه اصطکاک و تلفات گرمایی دارد (رفتار ابر رسانایی). بنابراین بسیاری از دانشمندان در تلاش برای رسیدن به هیدروژن خالص هستند. درحالی که قادر به دستیابی به میزان چگالی هیدروژن مور دنیاز برای ابر رسانایی نیستند.

به جای استفاده از هیدروژن خالص، تیم کانادایی - آلمانی، از نظریه سابق پروفسور نیل اشکرافت از دانشگاه کرنل بهره برده اند تا موکلولهای هیدرید را فشرده کنند. آنها قادر به رسیدن به غلظت مورد نیاز در فشاری کمتر از میزان مورد نیاز در هیدروژن خالص هستند.

در پژوهش مربوطه، تیم تی سه، از سینکروترون (دستگاه‌ تقویت‌ وتسریع‌ ذرات‌ بار دار الکترونی‌) مربوط به Canadian Light Source، برای مطالعه ساختارهای فشار بالای موجود در دیگر سیستم های هیدریدی بر روی ابر رسانایی بالقوه و کاربرد آنها در ذخیره سازی هیدروژن برای سلولهای سوختی استفاده می کنند.

 

نوشته شده توسط مهندس حسین عظمتی/ شاهکار الکترونیک

98/12/06