ابررسانا چیست و چه نقشی در صنعت دارد؟

بسم الله الرحمن الرحیم

نقش ابر رساناها در صنعت


 مقدمه:

يک تيم تحقيقاتي صنعتي در آمريکا متشکل از مهندسين و دانشمندان که زير نظر شرکت Waukesha Electric Systems فعاليت مي نمايند، در سال 1999 خبرتحول مهمي را در صنعت برق با انجام آزمايش موفقيت آميز نوع جديدي از ترانسفورماتورهاي قدرت اعلام نمودند. ترانسفورماتورهاي ابررسانايي جديد در مقايسه با ترانسفورماتورهاي رايج، کوچک و سبک تر مي باشند و داراي طول عمر بيشتري نيز هستند. در اين نوع ترانسفورماتورها ديگر نيازي به هزاران گالن روغن جهت عايقي و خنک سازي نمي باشد و در نتيجه خطر ايجاد حريق و مسائل زيست محيطي را نخواهد داشت. در ابررساناها بعلت عدم وجود مقاومت اهمي در برابر جريان dc ، تلفات اهمي برابر با صفر است. لذا با استفاده از ابررساناها در ترانسفورماتورها، تلفات کل ترانسفورماتور، کاهش قابل ملاحظه اي خواهد يافت. تلاشهايي که جهت توسعه ترانسفورماتورهاي ابررسانا انجام مي گيرد صرفا" بخاطر مسائل اقتصادي و کاهش هزينه نيست. يکي ديگر از دلايل طرح اين مبحث اين است که در مراکز پر تراکم شهري، رشد مصرف 2 درصدي (ساليانه ) به معني نياز به ارتقاء ظرفيت سيستم هاي موجود است. از طرفي بسياري از پستهاي توزيع بصورت Indoor  بوده و در کنار ساختمانها نصب شده اند. در اين نوع پست ها همانند ديگر پستهاي توزيع، از ترانسهاي روغني استفاده مي شود که استفاده از روغن مشکلات و خطرات زيست محيطي و ايمني مربوط به خود را دارد. در حاليکه در ترانسفورماتورهاي ابررسانا، ماده خنک کننده نيتروژن است که خطري براي افراد و موجودات زنده ندارد. بعلاوه در اين ترانسفورماتورها، خطر آتش سوزي نيز وجود ندارد. بهمين لحاظ خنک کننده مورد استفاده در ترانسفورماتورهاي ابررسانا به هيچ عنوان قابل مقايسه با روغنهاي قابل اشتعال و مواد شيميايي شيمي همچون PCB نيست.

 

آزمايشات بر يک نوع از اين ترانسفورماتور با ظرفيت 1MVA امکان سنجي فني و ساير مزاياي آنرا به اثبات رسانده است. يکي از مزاياي آن کاهش وزن ترانسفورماتور مي باشد بطوريکه براي يک ترانسفورماتور 30MVA وزن آن از 48 تن به 24 تن خواهد رسيد.

 

دو تغيير مهم در طراحي ترانسفورماتور که منجر به طراحي و ساخت اين نوع ترانسفورماتورهاي جديد شده است، عبارتند از استفاده از مواد ابررسانايي دماي بالا (HTS) بجاي سيم پيچ هاي رايج مسي و بکارگيري از يک سيستم کوچک خنک سازي بجاي سيستم خنک کننده رايج ترانسفورماتورهاي معمولي.

ترانسفورماتور HTS ، 30 MVA تقريبا" به 200 پوند (100 کيلوگرم ) ابررسانا نياز خواهد داشت که هيچ گونه مقاومت الکتريکي ندارد و بنابراين هيچگونه حرارتي توليد نخواهدکرد،درحاليکه در ترانسفورماتورهاي رايج، سيم پيچهاي مسي که هزاران پوند وزن دارند منبع اصلي توليد گرما و ايجاد تلفات ميباشند.فن آوري ترانسفورماتور HTS از نظر استفاده از يک سيستم خنک کننده حلقه بسته جهت خنک سازي سيم پيچ هاي ترانسفورماتور يکتا مي باشد و قادر است که دماي سيم پيچ را تا 382 - درجه فارنهايت برساند.

 

ترانسفورماتور HTS آزمايشي 1MVA به عنوان يک بستر آزمايشي مناسب براي ارزيابي نوآوريهاي تازه ساخته شده است.

همين تيم تحقيقاتي که بر روي ساخت و آزمايش ترانسفورماتور  1MVA, HTS کار کرده اند، قرار است طراحي و آزمايش يک ترانسفورماتور آزمايشي آلفا 10MVA را شروع نمايند.

 

پروژه ترانسفورماتور HTS در ايالت متحده آمريکا توسط چندين شرکت و سازمان دنبال مي گردد. شرکت Waukesha Electric Systems ( WES ) رهبري ساخت اينگونه ترانسفورماتورها را در آمريکا به عهده دارد. اين شرکت مسئول طراحي و ساخت هسته و تانک ترانسفورماتور HTS – 1MVA بوده و همچنين مونتاژ و آزمايش آنرا نيز به عهده داشته است. شرکت Intermagnetics General Corporation ( IGC ) در آمريکا، سازنده هاديها و کابلهاي ابررسانا مي باشد و در اين پروژه مسئول طراحي و ساخت هاديهاي ابررسانا، سيم پيچ هاي ترانسفورماتور و طراحي بخشي از سيستم سرمايشي بوده است.

 

دکتر Christine Platt از دپارتمان انرژي آمريکا بر اهميت اين پديده اذعان مي نمايد و مي گويد که در آمريکا تلفات انرژي الکتريکي توليد شده در حدود 8 درصد مي باشد که ترانسفورماتورها نيمي از اين تلفات را توليد مي کنند و با استفاده از مواد ابررسانا و توليدات آن اين رقم نصف خواهد شد که در نتيجه منجر به صرفه جويي صدها ميليون دلار درسال خواهد شد.

 

   * High Temperature Superconductor   

تاريخچه ساخت ابررساناها

بعد از كشف ابررساناها، تا چند سال تصور مي‌شد رفتار مغناطيسي ابررسانا مانند رساناهاي كامل است. اما در سال 1933 مايسنر و اوشنفلد دريافتند اگر ماده مورد آزمايش قبل از ابررسانا شدن در ميدان مغناطيسي باشد، شار از آن عبور مي‌كند ولي وقتي در حضور ميدان به دماي بحراني برسد و ابررسانا گردد ديگر هيچ‌گونه شار مغناطيسي از آن عبور نخواهد كرد و تبديل به يك ديامغناطيس كامل مي‌شود كه شدت ميدان (B) درون آن صفر خواهد بود. آنها توزيع شار در خارج نمونه‌هاي قلع و سرب را كه در ميدان مغناطيسي تا زير دماي گذار سرد شده بودند را اندازه­گيري و مشاهده كردند كه ابررسانا ديامغناطيس كامل گرديد و تمام شار به بيرون رانده شد. اين آزمايش نشان داد كه ماده ابررسانا چيزي بيشتر از ماده رساناي كامل است. براساس ويژگي مهم ابررساناها، فلزات در حالت ابررسانايي هرگز اجازه نمي‌دهند كه چگالي شار مغناطيسي در درون آنها وجود داشته باشد. به عبارت ديگر در داخل ابررسانا هميشه B=0 است. اين پديده به اثر مايسنر معروف شد.

 در اثر پديده مايسنر اگر يك آهنربا روي ماده ابررسانا قرار گيرد، روي آن شناور مي‌ماند. در شكل يك آهنرباي استوانه‌اي روي يك قطعه ابررسانا كه توسط نيتروژن خنك شده شناور است. علت شناور ماندن، اثر مايسنر است كه براساس آن خطوط ميدان مغناطيسي امكان عبور از ابررسانا را نيافته و چنانكه مشاهده مي‌شود، ابررسانا قرص مغناطيسي را شناور نگه مي‌دارد.

پس از کشف ديامغناطيس بودن ابررساناها، در سال 1950 آلياژهاي ابررسانايي مانند سرب+بيسموت  و سرب+تيتانيوم كشف شدند که ميدانهاي بحراني خيلي بالايي از خود نشان مي‌دادند. پژوهشهاي بعدي نشان داد که اين مواد نوع متفاوتي از ابررساناها هستند که بعداً نوع II ناميده شدند. لاندن با استفاده از موازنه انرژي در محدوده کوچکي بين مرز فازهاي ابررسانا و نرمال، شرط تعادل فاز را به دست آورده و به حضور يک سطح انرژي ديگر با منشأ غيرمغناطيسي اشاره کرد كه علاوه بر انرژي مرز بين دو فاز ابررسانا و نرمال وجود داشت. وي متذکر شد که اگر سطح انرژي کل مثبت باشد ابررسانايي ازنوع اول و اگر منفي باشد از نوع دوم است که در اين صورت ميدان مغناطيسي به درون ابررسانا نفوذ مي‌کند. در سال 2003 نيز آلكسي آبريكوزوف و ويتالي گينزبورگ به خاطر بسط تئوري ابررسانايي همراه با آنتوني لگت برنده جايزه نوبل فيزيك شدند.

به تازگي هم پژوهشگران فرانسوي خاصيت جديدي را در ابررساناها پيدا كرده‌اند كه قبلاً در هيچ نظريه‌اي پيش‌بيني نشده بود. چنانكه اشاره شد خواص ابررسانايي در مواد، به دماي محيط، ميدان مغناطيسي و شدت جريان عبوري بستگي دارد. محققان فرانسوي بلوري ساخته‌ بودند كه در دماي 04/0 درجه كلوين ابررسانا مي‌شد و وقتي شدت ميدان مغناطيسي به بيشتر از 2 تسلا مي‌رسيد، اين خاصيت از بين مي‌رفت. يكي از پژوهشگران اين گروه، از روي كنجكاوي، شدت ميدان مغناطيسي را باز هم بيشتر كرد. وقتي شدت ميدان به 12 تسلا رسيد، بلور دوباره ابررسانا شد. وقتي ميدان باز هم بالاتر رفت، اين خاصيت دوباره از بين رفت. اين گزارش كه اخيراً در نشريه علمي ساينس به چاپ رسيده، توجه بسياري از فيزيكدانان حالت جامد را برانگيخته است چرا كه هيچ توضيح خاصي براي اين پديده وجود ندارد. با توجه به موارد گفته شده، به نظر مي‌رسد كه ميدان مغناطيسي متغير باعث ايجاد رفتارهاي جالب پيش‌بيني نشده در ابررساناها مي‌شود. البته بايد توجه داشت كه ابررسانايي يك خاصيت كاملاً كوانتمي است و به سادگي نمي‌توان وضعيت پيش آمده در اين آزمايش را توصيف كرد.

درمورد مهمترين خواص ابررساناها مي‌توان به موارد ذيل اشاره داشت.

  1. مقاومت ناچيز در مقابل عبور جريان مستقيم و توانايي عبور چگالي جريان بالا: امروزه صرفه‌جويي در مصرف انرژي، يكي از مهم‌ترين نيازهاي كشورهاي صنعتي است. بودجه‌هاي زيادي صرف تحقيقات در زمينه كشف راه‌هاي تازه و موثرتر براي يافتن انرژي‌هاي ارزان‌ و با ريسك كمتر مي‌شود. برپاية اين پديده، بارهاي الكتريكي مي‌توانند بدون تلفات گرمايي از يك رسانا عبور كنند. بنابراين ابررسانايي با نقشي كه مي‌تواند در زمينه صرفه جويي در توليد و انتقال انرژي الكتريكي بازي كند، در آينده بشر نقشي اساسي خواهد داشت و به همين دليل در سالهاي اخير بيش از ده هزار پژوهشگر با صرف هزينه‌هاي زياد، تحقيقات خود را روي موضوع ابررسانايي و كاربردهاي آن در علوم مختلف متمركز ساخته‌اند. با توجه به مقاومت تقريباٌ صفر، ابررساناها درشبکه‌هاي توزيع و انتقال و همچنين ماشينهاي الکتريکي قابل استفاده هستند. اين خاصيت باعث مي‌شود که اگر جرياني در يک ابررسانا ايجاد شود، بدون کاهش قابل توجهي براي مدت طولاني برقرار بماند. همينطور شدت جريان عبوري از ابررسانا نيز به علت فقدان افت اهمي بسيار بالاست. براي مثال آلياژ نيوبيوم و تيتانيوم که در درجه حرارت 4/4 كلوين به حالت ابررسانايي مي‌رسد قادر به عبور جريان 2000 آمپر بر ميليمتر مربع در شدت ميدان 5 تسلا است. اين چگالي صد بار بيشتر از چگالي جريان در سيمهاي مسي معمولي است. البته در صورت افزايش چگالي جريان از حد معيني، ابررسانا در وضعيت مقاومتي قرار مي‌گيرد و خصوصيت ابررسانايي را از دست خواهد داد. جريان يا چگالي جرياني که ابررسانا مي‌تواند از خود عبور دهد و خاصيت ابررسانايي را از دست ندهد به جريان بحراني يا چگالي جريان بحراني معروف است.

 

 

  1. توانايي در توليد ميدانهاي مغناطيسي قوي: پديدة ابررسانايي در فن‌آوري‌هاي جديد از توانايي‌هاي گسترده‌اي برخوردار است. خواص ابررسانايي در مواد، علاوه بر دماي محيط و شدت جريان عبوري، به ميدان مغناطيسي هم بستگي دارد. يعني حتي اگر جسم در دمايي پايين‌تر از حد ابررسانايي باشد، وقتي ميدان مغناطيسي از ميزان مشخصي بيشتر باشد، خاصيت ابررسانايي از بين خواهد رفت. از اين ميدان‌ها مي‌توان در قطارهاي مغناطيسي استفاده کرد. شدت اين ميدانها براي آلياژ نيوبيوم و تيتانيوم (NbTi) به حدود 10 تسلا نيز مي‌رسد. شدت ميدان مغناطيسي در جهت از بين بردن خاصيت ابررسانايي عمل مي‌کند. ميدان بحراني به شدت ميداني اشاره دارد که ابررسانا خاصيت خود را در آن شدت ميدان از دست مي‌دهد. براي توضيح خصوصيات مغناطيسي ابررسانا، فرض كنيد كه در غياب هر گونه مغناطيسي ابتدا مقاومت ابررسانا با سرد شدن از بين برود و سپس ميدان مغناطيسي به آن اعمال شود. به دليل آنكه چگالي شار نمي‌تواند در داخل فلز تغيير كند، بايد حتي بعد از اعمال ميدان مغناطيسي نيز صفر باقي بماند. در واقع اعمال ميدان مغناطيسي، جريانهاي بدون مقاومتي را القا مي‌كند كه در سطح نمونه طوري گردش مي‌كنند كه چگالي شار مغناطيسي آنها در داخل نمونه دقيقاً برابر و در جهت مخالف چگالي شار ميدان مغناطيسي اعمال شده باشد و از آنجايي كه اين جريانها از بين نمي‌روند، چگالي شار خالص در داخل نمونه صفر باقي مي‌ماند.

سالهاي بسياري تصور مي‌شد كه تمام ابررساناها بر اساس اصول فيزيكي مشابهي رفتار مي‌كنند. اما اكنون ثابت شده ابررساناها با توجه به رفتار فيزيكي، به دو گروه مختلف كه به ابررساناهاي نوع I وII معروفند بايد دسته‌بندي شوند. بيشتر عناصر در شرايط ابررسانايي، رفتار ابررسانايي از نوع I را از خود نشان مي‌دهند اما تعداد كمي از عناصر و بيشتر آلياژها عموماً رفتار ابررسانايي از نوع II را بروز مي‌دهند. در شكل زير ابررساناهاي نوع I و II در جدول مندليف مشاهده مي‌شود.

 

توجيه اختلاف بين ابررساناهاي نوع  Iو II مبتني بر مسافت آزاد ميانگين الکترونهاي هدايتي در فاز نرمال است. مقاومت الکتروني در مواد ابررساناي نوع I يعني آلياژها و فلزات واسط در حالت عادي کوتاه است اما با افزودن مقداري از يک عنصر خاص، مسافت آزاد ميانگين الکترونهاي هدايتي افزايش يافته و ابررساناي نوع اول به ابررساناي نوع دوم تبديل مي‌شود. از نظر مغناطيسي، ابررساناهاي نوع اول داراي دو محدوده و ابررساناهاي نوع دوم داراي سه ناحيه براي فعاليت هستند.

  1. خاصيت تونل‌زني: اين مشخصه به اين معني است که اگر دو ابررسانا را خيلي به هم نزديک کنيم، مقداري از جريان يکي به ديگري نشت مي‌کند. در دو سر اين پيوندگاه يا تونل هيچ ولتاژي وجود ندارد. يعني ميزان جريان نشتي به ولتاژ بستگي ندارد ولي به ميدان مغناطيسي و تابش مغناطيسي حتي در مقادير خيلي کوچک بشدت وابسته است.

 

  ذخیره‌كننده‌های مغناطیسی انرژی با استفاده از ابررساناها

 

 

 (SMES)-(Superconducting Magnetic Energy Storage)

  اصولاً یك سیستم قدرت در ساعات مختلف شبانه‌روز دارای مصارف مختلفی است،‌بنابراین میزان تولید انرژی باید متناسب با نیاز مصرف‌كننده تغییر كند. همچنین در یك شبكه وسیع، مشكل تثبیت ولتاژ، تاثیرات هارمونیكها، نامتعادل شدن ناگهانی شبكه در هنگام بروز خطا و در نتیجه از كارافتادن ژنراتورها و در نهایت از سرویس خارج شدن كل شبكه وجود دارد.
استفاده از سیستم‌های ذخیره‌كننده مغناطیسی انرژی نیرومند در شبكه قدرت از اهمیت خاصی برخوردار است. با توجه به قابلیت ذخیره‌سازی بسیار زیاد انرژی سیم‌پیچهای ابررسانا در میدان اطراف خود و امكان 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 شبكه‌های قدرت به منظورهای گوناگون پیدا شده است.
با یك بررسی اجمالی می‌توان دید كه عدم وجود یك سیستم ذخیره‌كننده انرژی هنگام ناپایداری شبكه 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 یك كارخانه اتومبیل‌سازی ماهانه ۰۰۰/۲۵۰ دلار بوده و این ضرر تا زمانی كه تعمیرات كلی در سطح كارخانه صورت نگیرد ادامه خواهد داشت. ذخیره‌كننده‌های مغناطیسی انرژی با استفاده از ابررسانا (SMES) دارای مزایایی چون: تعدیل منحنی پیك‌بار، حفاظت از ژنراتورها و نگهداری و پایداری شبكه در هنگام وقوع خطا در نقاط مختلف شبكه، استفاده به عنوان سیستم برق اضطراری با توان بالا، تثبیت ولتاژ و فركانس در شبكه و غیره است كه باعث شده تا كار تحقیقات بر روی سیستم‌های SMES با شدت و سرعت بیشتری توسط كشورهای پیشرفته و شركتهای بزرگ تولید و انتقال برق در دنیا دنبال شود.
در این مقاله ضمن بررسی موارد بالا، تاثیر SMES در یك شبكه قدرت بررسی شده و همچنین این سیستم با سیستم‌های ذخیره‌كننده انرژی دیگر مقایسه می‌شود. همچنین سیستم‌های SMES از نظر اقتصادی مورد مطالعه و بررسی قرار خواهد گرفت.
اصولاً یك سیستم قدرت در ساعات مختلف شبانه‌روز دارای مصارف مختلفی است،‌بنابراین میزان تولید انرژی باید متناسب با نیاز مصرف‌كننده تغییر كند. همچنین در یك شبكه وسیع، مشكل تثبیت ولتاژ، تاثیرات هارمونیكها، نامتعادل شدن ناگهانی شبكه در هنگام بروز خطا و در نتیجه از كارافتادن ژنراتورها و در نهایت از سرویس خارج شدن كل شبكه وجود دارد. برای رفع این مشكل تاكنون راه‌حلهای گوناگونی ارایه شده كه به همراه مزایا و معایب سیستم SMES در مقایسه با سیستم‌های معرفی شده دیگر در قسمتهای بعد آورده می‌شود.
با توجه به اینكه عیوب فوق‌الذكر تاثیرات بسیار نامطلوبی بر ژنراتور نیروگاهها و تاسیسات شبكه داشته و بسیار پرهزینه و مضرند، یك سیستم SMES قوی با طراحی صحیح و جایگذاری دقیق در شبكه می‌تواند به طور موثر باعث كاهش هزینه جاری و تعمیر و نگهداری كل شبكه شود.
كشورهایی چون كانادا، ژاپن، سوئیس و آمریكا به طور وسیعی بر روی SMES كار می‌كنند و تاكنون بیش از ۲۰ 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 یك شبكه قدرت نمونه آورده می‌شود.


 چگونگی ساختار یك سیستم SMES

جزء اصلی یا هسته اساسی یك سیستم SMES، سیستم ابررسانایی آن است. به طور كلی تاكنون دو نوع ابررسانا ساخته شده است. نوع اول ابررساناهای دمای پایین‌اند كه هادی ابررسانا معمولاً یك فلز خالص مانند مس یا آلومینیوم بوده و دمای كار آن در حدود ۲/۴ K است. با وجود مقاومت در حد صفر سیم ابررسانا، میزان تحمل جریان میدان مغناطیسی در سیم با داشتن یك سیستم تبرید خوب، بالاست،‌به حدی كه فن‌آوری جدید، جریانهایی در حدود صدها هزار آمپر را در سطح مقطعهای در حدود سانتی‌متر مطرح می‌كند. برای رسیدن به چنین دمای پایینی، محققان تاكنون چندین روش پیشنهاد كرده و وسایل و سردكننده‌های متنوعی ساخته‌اند. در خنك كردن ابررسانا از هلیم مایع استفاده می‌شود كه این هلیم توسط لوله مخصوصی كه چند جداره بوده و دارای دیواره خلا است به یك یخچال سیكل بسته فرستاده می‌شود. روش دیگر، مایع كردن 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 یك لایه نیتروژن مایع نیز استفاده كرد.اخیراً محققان از مواد ابر عایق نیز در این مورد بهره جسته‌اند.
سیم‌پیچ ذكر شده فوق دارای امپدانس بسیار زیادی بوده و مانند یك منبع جریان DC عمل می‌كند. نكته قابل توجه این است كه جهت جریان هیچ‌گاه در سیم‌پیچ ابررسانا عوض نمی‌شود بلكه در هنگام دشارژ سیم‌پیچ، ولتاژ دو سر آن معكوس می‌شود بنابراین سیستم SMES در واقع یك واحد DC است كه بیشتر كاربردها با یك سیستم AC تركیب می‌شود. معمولاً این تركیب توسط یك كانورتور دو طرفه AC به DC و DC به AC امكانپذیر است كه می‌تواند برای شارژ و دشارژ سیم‌پیچ ابررسانا و همچنین تنظیم و كنترل توان ارسالی یا دریافتی به كار برده شود. به عبارت دیگر این كانورتور باید قادر باشد كه ولتاژ و جریان DC متغیر را از سیم‌پیچ ابررسانا گرفته و به یك ولتاژ AC ثابت و جریان بار با مقادیر و اختلاف فازهای متفاوت تبدیل كند.
نمونه‌ای از نمودار بلوكی ساده شده یك سیستم SMES كه به صورت موازی به سیستم قدرت متصل شده است.

مدار شامل یك سیستم كنترل‌كننده است كه دارای سه وظیفه اصلی است

كنترل سوئیچهای نمیه‌هادی ایزوله، مشخص كردن و آشكار ساختن ولتاژها و جریانهای منبع توان و مصرف‌كننده‌ها و كنترل ولتاژ تنظیم‌كننده، میزان و جهت توان DC گرفته شده یا داده شده به سیم پیچ ابررسانای سیستم SMES.


نمودار بلوكی، بیشتر برای سیستم‌های كوچك مناسب بوده و تا حدی شبیه به یك سیستم برق اضطراری و تثبیت‌كننده ولتاژ عمل می‌كند. همچنین از دیگر مزایای این سیستم می‌توان اصلاح ضریب قدرت را نام برد.
نمونه دیگری از اجزای تشكیل‌دهنده یك سیستم SMES را نشان می‌دهد كه جزئی از سیستم قدرت پرسك‌آیزل واقع در میلواكی آمریكا در سال ۱۹۹۱ بوده كه در بخشهای بعدی به آن پرداخته خواهد شد. توان مورد نظر برای سیستم مزبور ۱۰۰ مگاوات با ضریب توان ۹/۰ است.


نحوه كار سیستم SMES
سیم‌پیچ ابررسانا توسط یك یكسوساز AC به DC كه در منبع تغذیه سیم‌پیچ ابررسانا قرار دارد شارژ می‌شود، شارژ‌كننده سیم‌پیچ به منظور غلبه بر تلفات اهمی آن قسمت از مدار كه در دمای محیط قرار دارد، ولتاژ كوچكی در دو سر سیم‌پیچ ایجاد می‌كند. این مساله باعث می‌شود كه جریان ثابتی در سیم‌پیچ ابررسانا جاری شود. در حالت آماده به كار یعنی زمانی كه هیچ تبادل توانی با سیم‌پیچ انجام نمی‌شود جریان ذخیره‌ شده سیم پیچ توسط یك سوئیچ كه دو سر سیم‌پیچ را اتصال كوتاه می‌كند دوباره به خود سیم‌پیچ ابررسانا بازگردانده شده و حالت گردشی پیدا می‌كند. در نتیجه انرژی سیم پیچ ابررسانا حفظ می‌شود. در بعضی از مدلهای SMES این سوئیچ به داخل مخزن حاوی سیم‌پیچ انتقال پیدا كرده كه با طرق مختلف از بیرون مخزن به آن فرمان داده می‌شود. بدون قرار دادن این سوئیچ اتصال كوتاه كننده میزان تلفات سیم‌پیچ در حالت آماده به كار زیاد خواهد بود. مانند قبل منبع تغذیه سیم پیچ به منظور جبران تلفات اهمی قسمتی از مدار كه در گرمای محیط قرار دارد ولتاژ كوچك را در دو سر سیم‌پیچ ابررسانا تولید می‌كند.
اگر سیستم كنترل‌كننده حس كند كه ولتاژ خط سیستم قدرت به خاطر تضعیف و یا خطای اتفاق افتاده در شبكه كاهش پیدا كرده، كلید اتصال كوتاه‌كننده ظرف مدت ۲۰۰ تا ۵۰۰ میكروثانیه قطع خواهد شد. به دنبال این امر ابتدا جریان سیم‌پیچ ابررسانا به یك بانك خازنی قوی منتقل شده و سطح ولتاژ آن را بالا می‌برد. سپس سوئیچ دوباره بسته می‌شود. بانك خازنی یك اینورتر ۱۲ پالسه را كه تامین‌كننده توان AC مورد نیاز بار است تغذیه می‌كند.
بار مورد نظر باعث كاهش توان و افت ولتاژ بانك خازنی می‌شود تا حدی كه این ولتاژ به یك حداقل می‌رسد در این حالت مجدداً كلید اتصال كوتاه‌ باز شده و بانك 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 اینكه انرژی ذخیره شده در سیم‌پیچ ابررسانا پایان یابد. ابعاد و ظرفیت سیستم طوری طراحی می‌شود كه انرژی ذخیره‌شده در سیم‌پیچ بتواند تا بازگرداندن ولتاژ خط تغذیه‌كننده به حالت عادی تداوم پیدا كرده و كافی باشد.
سیستم به نحوی طراحی شده كه می‌تواند قدرت چندین مگاوات را برای جبران‌سازی توان از دست رفته در اثر خطا در مدتی كمتر از ۲۳ میلی‌ثانیه به خط تزریق كند. 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 تكرار شود. همچنین برای برآوردن بعضی از نیازها امكان شارژ سریع در حد چند ثانیه نیز امكانپذیر است. البته باید شبكه قدرت، قادر به تامین این میزان توان بوده و شارژ سریع سیم پیچ ابررسانا باعث افت ناگهانی در ولتاژ شبكه نشود. از خصوصیات سیستم این است كه در زمان افت ولتاژ خط، حداكثر ظرف مدت ۵/۰ میلی‌ثانیه این ولتاژ باید تامین شود.


نقش و تاثیرات سیستم SMES در یك شبكه قدرت نمونه
در این قسمت نقش و تاثیر نصب یك سیستم SMES در یك شبكه قدرت آورده شده است. این تحقیق در منطقه پرسك‌آیزل میلواكی آمریكا انجام شده است. شركت تولید برق ویسكانسین (WE) با بیش از ۰۰۰/۹۰۰ مشترك و حداكثر بار ۵۳۵ مگاوات وظیفه تامین انرژی الكتریكی این منطقه را بر عهده دارد. پرسك‌آیزل از ۹ واحد تولیدی با سوخت ذغال با حداكثر ظرفیت ۵۹۴ مگاوات تشكیل شده است كه شامل ۵ واحد بزرگ (هر كدام ۸۰ تا ۸۵ مگاوات) دو واحد متوسط (۷۵ تا ۵۸ مگاوات) و دو واحد كوچك با حداكثر ظرفیت كلی ۶۲ مگاوات است. این سیستم قرار است در سال ۱۹۹۹ از پرسك‌آیزل به زیرمجموعه پلینز و ویسكانسین مركزی تقسیم شود كه از دو خط ۱۳۸ كیلوولت و یك خط ۳۴۵ كیلوولت تشكیل می‌شود. در سطح حداكثر بار، سیستم توزیع اقتصادی تعیین می‌كند كه حدود ۵۰۰ مگاوات از پرسك‌آیزل برای جنوب به سوی پلینز فرستاده شود و ۴۱۵ مگاوات از ایستگاه دوم پلینز به جنوب انتقال یابد.
پیك بار سیستم بنا به تعریف آن زمانی است كه بار سیستم حداقل به ۹۰ درصد مقدار حداكثر آن برسد و مدت زمان آن ۱۰۰ ساعت در سال است. بررسیهای پایداری نشان داده‌اند كه قطع برق در نقاط مختلف سیستم انتقال در حد ۵۰۰ مگاوات منجر به ناپایداری نوسان اول در پرسك‌آیزل یا منجر به اضافه بارهای سیستم می‌شود. به خاطر فشارهای شدید اعمال شده بر واحد تولید، ناشی از عمل تریپ در هنگامی كه واحد با توان زیاد كار می‌كند لازم است كه مقدار تریپ تولیدی برای انواع خطاهای احتمالی كاهش داده شود.
انتخابهای انجام شده زیر، اصلاحاتی برای سیستم در بر دارند كه در هر مورد سطح تریپ تولید را كاهش می‌دهند.
انتخاب اول نصب یك سیستم SMES در سال ۱۹۹۹ در پرسك‌آیزل است. SMES برای بهبود پایداری نوسان اول و فراهم كردن میرایی به كار برده می‌شود. در حقیقت SMES منتقل‌كننده توان لحظه‌ای است یعنی توان اكتیو را طی دوره‌های سرعت بالا در واحد پرسك‌آیزل ذخیره كرده و در زمان پایین بودن سرعت، آن را آزاد می‌كند.
سیستم احساس و ردیابی اغتشاشات باس ۱۳۸ كیلوولت در پرسك‌آیزل طراحی شده و به همراه سیستم برای
اطمینان از پاسخ دینامیكی مناسب سیستم كار خواهد كرد.

انتخاب دوم نصب یك سیستم SMES همراه یك مقاومت ترمزی در پرسك‌آیزل در سال ۱۹۹۹ است. SMES پایداری نوسان اول ومیرایی را بهبود بخشیده و مقاومت ترمزی نیز نقش SMES را تقویت كرده و باعث كوچكتر شدن اندازه آن می‌شود. مقاومت ترمزی مذكور به صورت یك بار مقاومتی مدلسازی شده كه می‌تواند به طور لحظه‌ای قطع و وصل شود. این مقاومت بعد از عملكرد بحرانی كلید خط، وصل شده و بعد از زمان مشخصی قطع می‌شود.

انتخاب سوم افزودن یك پایدار‌كننده سیستم قدرت (Pss) در هر كدام از ۵ واحد بزرگ تولید نیرو در پرسك‌آیزل است. این سیستم‌ها برای تطبیق تحریك هر ژنراتور و ایجاد یك پاسخ میرا شونده در هنگام اغتشاشات سیستم تنظیم شده‌اند. البته مشكلی كه این وسایل دارند این است كه در بهبود پایداری نوسان اول نقشی ندارند.

ابداع سيم‌هاي جرياني ابر رساناي اكسيدي 20 كيلو آمپر
شركت هاي فوركاوا (fur kava‌) و فوجيكورا (Fuji Kura) مشتركا اقدام به ساخت سيم‌هاي فوق هادي اكسيد اتريم كلاس 20 كيلو آمپر نموده‌اند ، كه بيشترين ميزان جريان در جهان است . از اين سيم‌ها در سيستمهاي SMES (ذخيره سازي مغناطيسي در ابر رسانا) با ظرفيت ذخيره سازي انرژي KWh10 مي‌توان استفاده كرد. اين ابداع به عنوان بخشي از برنامه بزرگتري به نام ابداع فناوري اجزاء براي SMES  در مقياس كوچك انجام گرفته كه مورد پشتيباني آژانس منابع طبيعي و انرژي متعلق به وزارت صنعت و تجارت بين‌الملل بوده و از طريق مركز فناوري ابر رسانا، به شركت برق چوبو ( chubu ) واگذار شده است . شركت‌هاي فورو كاوا و فوجيكورا طبق سفارشي از سوي شركت برق چوبو ، مسئول ساخت سيم‌هاي جرياني ابر رسانا گرديده‌اند. فناوري SMES به نوع خاصي از سيم‌هاي هادي جريان الكتريكي نياز دارد كه بتوانند تجهيزات منابع توان الكتريكي را در دماي محيط به سيم پيچ ابري رساناي ذخيره ساز انرژي كه در دماي هليم مايع يعني 269- درجه سانتيگراد است متصل كند تا بدينوسيله بتواند توان را بين سيستم‌هاي دوالمانه انتقال دهد . سابقا از سيم‌هاي مسي استفاده مي‌شد و با خنك كردن آنها مقاومت الكتريكي سيم را كاهش داده و به اين ترتيب مانع ايجاد گرما بواسطه هدايت الكتريكي و همچنين گرماي ناشي از هدايت گرمايي از طريق كاهش سطح مقطع مي‌گرديدند . در صورت ساختن سيم‌هاي جديد با استفاده از خاصيت ابر رسانائي ، تلفات الكتريكي ناشي از مقاومت طبيعتا صفر خواهد شد . به خاطر كاهش سطح مقطع ، شارش گرمان به نحو قابل ملاحظه‌اي كاهش خواهد يافت.  ظرفيت جرياني اين سيم‌ها چند هزار برابر بيشتر از سيم‌هاي مسي است و هدايت گرمايي كم ابر رساناي اكسيدي به جلوگيري از هدايت گرما كمك خواهد كرد. بنابراين انتظار مي‌رود كه سيم‌هاي ابر رسانا اكسيدي با ظرفيت بالا بتوانند راندمان سيستم‌هاي SMES را به ميزان زيادي افزايش دهند .
منبع : شركت برق فوروكاوا- ژاپن
آدرس:http://www.furukawa,co.jp

ترانسفورماتورهاي سازگار با هارمونيك
ترانسفورماتورهاي مقام عاملk
هارمونيك‌هاي توليد شده توسط بارهاي غير خطي مي‌توانند مشكلات حرارتي و گرمائي خطرناكي را در ترانسفورماتورهاي توزيع استاندارد ايجاد نمايند. حتي اگر توان بار خيلي كمتر از مقدار نامي آن باشد، هارمونيك‌ها مي‌توانند باعث گرماي بيش از حد و صدمه ديدن ترانسفورماتورها شوند. جريان‌هاي هارمونيكي تلفات فوكو را بشدت افزايش مي‌دهند. بهمين دليل سازنده‌ها، ترانسفورماتورهاي تنومندي را ساخته‌اند تا اينكه بتوانند تلفات اضافي ناشي از هارمونيك‌ها را تحمل كنند. سازنده‌ها براي رعايت استاندارد يك روش سنجش ظرفيت، بنام عامل k را ابداع كرده‌اند. در اساس عامل k نشان دهنده مقدار افزايش در تلفات فوكو است. بنابر اين ترانسفورماتور عامل k ترانسفورماتور باشد. مقادير استاندارد عامل k برابر با 4 ،9 ،13 ،20 ،30 ،40 ،50 مي‌باشند. اين نوع ترانسفورماتورها عملاً هارمونيك را از بين نبرده تنها نسبت به آن مقاوم مي‌باشند.

ترانسفورماتور HNT (Harmonic Mitigating Transformer
 نوع ديگر از ترانسفورماتورهاي سازگار با هارمونيك ترانسفورماتورهاي HMT هستند كه از صاف شدن بالاي موج ولتاژ بواسطه بريده شدن آن جلوگيري مي‌كند. HMT  طوري ساخته شده‌است كه اعوجاج ولتاژ سيستم و اثرات حرارتي ناشي از جريان‌هاي هارمونيك را كاهش مي‌دهد. HMT  اين كار را از طريق حذف فلوها و جريان‌ها هارمونيكي ايجاد شده توسط بار در سيم ترانسفورماتور انجام مي‌دهد. چنانچه شبكه‌هاي توزيع نيروي برق مجهز به ترانسفورماتورهاي HMT گردند مي‌توانند همه نوع بارهاي غير خطي (با هر درجه از غير خطي بودن) را بدون اينكه پيامدهاي منفي داشته باشند، تغذيه نمايند. بهمين دليل در اماكني كه بارهاي غير خطي زياد وجود دارد از ترانسفورماتور HMT بصورت گسترده استفاده مي‌شود.

مزاياي ترانسفورماتور HMT :
• مي‌توان از عبور جريان مؤلفه صفر هارمونيك‌ها (شامل هارمونيك‌هاي سوم، نهم و پانزدهم ) در سيم پيچي اوليه، از طريق حذف فلوي آنها در سيم پيچي‌هاي ثانويه جلوگيري كرد.
• ترانسفورماتورهاي HMT با يك خروجي در دو مدل با شيفت فازي متفاوت ساخته مي‌شوند. وقتي كه هر دو مدل با هم بكار مي‌روند مي‌توانند جريان‌هاتي هارمونيك پنجم، هفتم،هفدهم و نوزدهم را در قسمت جلوئي شبكه حذف كنند.
• ترانسفورماتورهاي HMT با دو خروجي مي‌توانند مولفه متعادل جريان‌هاي هارمونيك پنچم، هفتم، هفدهم  و نوزدهم را در داخل سيم پيچي ثانويه حذف كنند.
• ترانسفورماتورهاي HMT با سه خروجي مي‌توانند مولفه متعادل جريانهاي‌ هارمونيك پنچم، هفتم، يازدهم و سيزده را در داخل سيم پيچي‌هاي ثانويه حذف كنند.
• كاهش جريان‌هاي هارمونيكي در سيم پيچي‌هاي اوليه HMT باعث كاهش افت ولتاژهاي هارمونيكي و اعوجاج مربوط مي‌شود.
• كاهش تلفات توان بعلت كاهش جريان‌هاي هارمونيكي. بعبارت ديگر ترانسفورماتور HMT باعث ايجاد اعوجاج ولتاژ خيلي كمتري در مقايسه با ترانسفورماتورهاي معمولي يا ترانسفورماتور عامل K مي‌شود.
منبع: مجله power Quality Advisor – فوريه 2000

پيشبرد ابر رساناها با كمك فشار

ابررساناها ميتوانند 150 بار بيشتر از سيم هاي مسي الكتريسيته را هدايت كنند.چون اين مواد حركت الكترونها كه اساس رسانش هستند را محدود نميكنند.اما براي رسيدن به شرايط ابر رسانايي،مواد بايد تا زير يك دماي بسيار پايين (به اصطلاح دماي گذار)سرد شوند كه اين موضوع استفاده گسترده از آنها را غير عملي ميسازد.

اكنون براي اولين بار دانشمندان كشف كرده اند كه علاوه بر دستكاري هاي شيميايي،شرايط ابر رسانايي با اعمال فشار بالا روي ابررساناهاي به اصطلاح دماي زياد( high-temp)نيز ميتواند رخ دهد.اين كشف پنجره جديدي را براي درك و كنترل اين مواد جادويي ميگشايد.

در گذشته ابر رساناها بايد تا دماهاي بينهايت كم (زير  20 k يا -423 F )سرد ميشدند. اما در دهه 1980 دانشمندان دسته ديگري از مواد از جنس اكسيدهاي مس سراميكي (كاپريتها)كشف كردند كه ابررساناهاي دماي بالا ناميده شدند.دانشمندان دريافتند كه در دماي بالايي در حدود 135 k اين مواد به حالت ابررسانايي گذار ميابند.فهم چگونگي كاركرد اين مواد و همچنين دستكاري آنها،براي عمل كردن در دماهاي بالاتر،اكنون يكي از مهم ترين مسائل حل نشده فيزيك است.

Viktor Struzhkin از همكاران اين مطالعه در آزمايشگاه ژئوفيزيك موسسه كارنگي ميگويد:

"در ابر رساناهاي كاپريتي،اتم ها در يك ساختار لايه لايه منظم شده اند.وقتي ماده به حالت ابررسانايي گذار مي يابد،تغييراتي در صفحات اكسيد- مس رخ ميدهد.اسپينهاي الكتروني متفاوت رفتار ميكنند،انرژي ارتعاشي دستخوش تغيير ميشود،بارها متفاوت رفتار ميكنند و از اين دست اتفاقات."

همكار ديگر اين مطالعه Alexander Goncharov چزئيات را اينطور شرح ميدهد:

"بعد از سالها دانشمندان فهميدند كه دماي انتقال با مقادير خاصي از دوپينگ ميتواند افزايش يابد.عمل دوپينگ در اين حالت افزودن ذرات باردار است.( چه الكترونهاي با بار منفي و چه حفره هاي با بار مثبت)ما ميخواستيم اثر فشار بالا را روي يك كاپريت دماي بالا با پايه بيسموت (Bismuth )ببينيم.فشار اين حسن را دارد كه ميتواند به تدريج و در يك رنج پيوسته اعمال شود؛درست مثل تنظيم يك راديو؛ما به تدريج فشار را روي ابررسانا تنظيم كرديم و توانستيم مشاهده كنيم كه در يك بازه گسترده فشار چه اتفاقي مي افتد."

اين محققان اثرات زير اتمي را در مواد در فشار نزديك به350,000  برابر فشار اتمسفر در سطح دريا (35 Gpa)با كمك گرفتن از يك حفره سندان مانند الماسي براي فشرده كردن نمونه و هم چنين تكنيكهاي اندازه گيري تغييرات مثل طيف نگاري رامن (Raman ) يا پراش پرتو X مشاهده كردند.

Tanja Cuk رهبر گروه و دانشجوي دانشگاه استنفورد كه اين كار را به عنوان قسمتي از تحقيقات تز دكتري خود انجام داده،خاطر نشان مي كند:

" 21 GPa   عددي جادويي بود؛ يك فشار بحراني؛ با فشرده سازي ساختار ما توانستيم تغييرات را در 6 خاصيت فيزيكي مشاهده كنيم.نكته هيجان انگيز اينجا بود كه اين تغييرات،شبيه به چيزهايي بود كه پس از دوپينگ مواد تا حالت بهينه مشاهده ميشود و اين موضوع به اين معني است كه فشار بحراني احتمالا با دوپينگ مرتبط است.علاوه بر آن ما با اين كشف  كه فشار ميتواند جايگزين دما و عمل دوپينگ شود،به رويكردي كاملا جديد،براي مطالعه خواص پشت پرده ابررساناهاي با تكنولوژي بالا (high-Tc) دست يافته ايم."

به گفته Struzhkin اين مطالعه با ايجاد يك دورنماي كاملا جديد از ابررساناهايي كه با كمك تغيير فشار بدست آمده اند يك گام مارا به فهم مكانيسم ابررسانايي دماي بالا نزديك ميكند.

مشاهده ميشود كه ابررسانش مرز بين عايق بودن و حالت فلزي است.ممكن است با كاربرد اين فشارهاي بالا ما بتوانيم كليد گم شده در مكانيسم ابررسانش دماي بالا را كشف كنيم و چندين قدم به استفاده ابررساناها در زندگي روزمره نزديك شويم.موضوعي كه ميتواند كل سامانه هاي انرژي ما را تغيير 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 تقويت‌ وتسريع‌ ذرات‌ بار دار الكتروني‌) 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

-->