در ژانویه 2008 شرکت راه آهن ژاپن طرح سریعترین قطار جهان را به مرحله اجرا گذاشت. این قطار مسیر بین توکیو به اوساکا را طی خواهد نمود. آزمایش های مربوطه در سایت یاماناشی در روی ریلی به طول 33 کیلومتر انجام شد که سرعت این قطار به بیش از 500 کیلومتر بر ساعت می رسد. خط در دست احداث به طول 290 کیلومتر فاصله بین توکیو – اوساکا را با هزینه ای در حدود 44.7 بیلیون دلار در سال 2025 میلادی به هم مرتبط می کند. اما این قطارها با این سرعت بالا چگونه حرکت می کنند؟ در ساختمان این قطارها از پدیده ای موسوم به ابررسانایی بهره گرفته شده است که در این مقاله سعی شده به توضیح آن بپردازیم.

صفر شدن مقاومت نرمال و دیا مغناطیس شده نمونه در حالت ابررسانایی دو مشخصه اصلی این پدیده می باشد.حتّی تصور دست یافتن به چنین تکنولوژی در دمای اتاق هیجان انگیز است؛ چون این به معنای رسیدن به مقاومت صفر و دستیابی به شدت جریان ها و میدان های مغناطیسی بسیار بالا در دمای اتاق است که موارد کاربرد بسیاری در علوم و صنایع از جمله خطوط انتقال نیرو که با کاهش مقاومت در سیم های انتقال و ترانسفورماتور ها تلفات انرژی کاهش یافته، حمل ونقل که با بکارگیری آلیاژهای ابررسانا و ایجاد میدان مغناطیسی قوی باعث افزایش سرعت حمل ونقل و صرفه جویی در مصرف انرژی، پزشکی با عکس برداری تشدید مغناطیسی هسته در دستگاه MRI و ساخت ابرکامپیوتر های قدرتمند و ابرسریع با به کارگیری مواد ابررسانا در ترانزیستور ها و مدارات و قطعات الکترونیکی به منظور کاهش اتلاف جریان و مد ماندگاری زیاد، در تکنولوژی آینده دارد. به این معنا که انقلاب واقعی در صنعت با کشف پدیده ابررسانایی در دمای اتاق روی خواهد داد.

مشکل اساسی در ابر رسانایی متعارف، پایین بودن دمای گذار ابررسانایی،Tc در حدود دمای هلیم مایع 4.2 k که با پیشرفت های اخیر این دما با کشف سرامیک های ابررسانایی دمای بالا به حدود 100 k افزایش یافت و آینده روشنی را پیش رو می گذارد.

گرچه مقاومت صفر در جای خود بسیار جالب توجه بود ولی کشف یک اثرمکمل دیگر به نام اثر مایسنر نگرش جدیدی از ابررسانایی ایجاد کرد؛ یک ابررسانا نه تنها دارای مقاومت صفر است بلکه به طور همزمان شار مغناطیسی را نیز از خود می راند. به زبان ساده تر اینکه از ورود میدان مغناطیسی به داخل خود جلوگیری می کند و میدان مغناطیسی در داخل آن صفر است.

یک میدان مغناطیسی به اندازه کافی قوی، ابررسانایی را از بین می برد و مقدار آن تابعی از دماست. مشخص شد که این میدان با کاهش دما افزایش می یابد؛ با ادامه آزمایش ها در یک حلقه ابر رسانا معلوم شد جریانی که ایجاد می شود بدون هیچ کاهشی در مقدارش ثابت می ماند. حضور چنین جریان های ماندگار به طور مشخص نشانگر صفر بودن مقاومت در حالت ابررسانایی است. این جریان های ماندگار در ایجاد میدان های مغناطیسی فوق العاده قوی و ثابت کاربرد دارند.

آزمایش های ماینسر و اوکسنفلد نشان داد که رسانای کامل به تنهایی برای ابررسانا نامیدن یک جسم کافی نیست، بلکه ابررسانا خصوصیت ویژه مهم و لازم دیگری دارد وآن دیا مغناطیس کامل بودن آن است. به این معنی که اگر ماده در حضور میدان تا حالت ابررسانش سرد شود شار از داخل آن طرد شده و ابررسانا به صورت یک جسم دیامغناطیس کامل(B=0) عمل می کند. خاصیت دیامغناطیس کامل در ابررسانا نشان می دهد که ابررسانایی به معنای یک تغییر در حالت ترمودینامیکی سیستم است نه یک تغییر شدید در مقاومت الکتریکی. بعضی از آلیاژهای ابررسانا در یک دمای مشخص زیر Tc داری دو خاصیت ابررسانایی و غیر ابررسانایی هستند به طوری که قسمتی از ماده ابررسانا و قسمتی از آن غیر ابررسانا است که این پدیده اساس کار قطار های ابررسانا می باشد. در ساختمان این قطار ها چند قطعه آلیاژ ابررسانا به همراه سیستم گذار به دمای پایین برای ایجاد خاصیت ابررسانایی در قطعه آلیاژ ها تعبیه شده است؛ ریل به صورت سیم پیچ هایی است که با عبور جریان الکتریکی همانند یک آهنربای قوی عمل می کند؛ با عبور جریان از سیم پیچ ها میدان مغناطیسی ایجاد شده و با توجه به اثر مایسنر چون ابررسانا زیر دمای گذار می باشد میدان مغناطیسی طرد شده و با طرد میدان مغناطیسی از نمونه ، آلیاژ به حالت ابررسانا تغییر گذار می دهد ؛ نمونه اکنون یک دیامغناطیس کامل می باشد وخطوط شارمغناطیسی ریل آن را محاط می کنند و چون نمی توانند به داخل آن نفوذ کنند با توجه به خاصیت مغناطیسی نمونه ابررسانا نیرویی به سمت بالا ایجاد شده و قطار در روی ریل معلق می ماند؛ برای ایجاد نیروی محرکه قطار از قانون لنز استفاده می شود، براساس این قانون اگر در یک حلقه مغناطیسی افزایش شار داشته باشیم جریانی در آن بوجود می آید که با افزایش شار مخالفت می کند و بلعکس. در هنگام حرکت چون تماسی بین ریل و واگن نمی باشد اصطکاک تقریباٌ صفر است.

در یک واگن قطار به حلقه ابتدا و انتهای آن یک پالس الکتریکی وارد می کنند که این پالس باعث می شود در حلقه جلو کاهش شار و در حلقه عقب افزایش شار داشته باشیم؛ در نتیجه در حلقه جلو برای کاهش شار، ماده ابررسانا (واگن) خود را به سمت جلو می کشد و حلقه عقب نیز برای ممانعت از افزایش شار، ماده ابررسانا (واگن) خود را به جلو می راند؛ در اینصورت قطار روی ریل شروع به حرکت می کند؛ در هنگام عبور از پیچ های تند با سرعت زیاد نگران خروج واگن ها از ریل به طرفین نیستیم، زیرا آلیاژ به کار رفته به گونه ای است که قسمت هایی از ماده در دماهای پایین در حالت عادی باقی می ماند وشار را از خود عبور می دهد؛ در نتیجه با عبور این شارها از داخل ماده ابررسانا قطار همانند دکمه ای که به پیراهن دوخته می شود، از ریل جدا نمی شود؛ برای توقف در ایستگاه تنها کار لازم برعکس کردن پالس ایجاد شده در سیم پیچ های جلو و عقب هر دو واگن می باشد به طوری که سیم پیچ جلو واگن را به سمت عقب هل داده و سیم پیچ عقب واگن را به سمت عقب می کشد و قطار از حرکت باز می ایستد؛ طرحی که به تازگی ارائه شده است برای استفاده بهتر از فضای شهری تعبیه نمودن ریل ها به ساختمانهای چند طبقه می باشد که این طرح علاوه بر تکنولوژی قطارها نیازمند طرحهای عمرانی و معماری ساختمانی نیز می باشد.

منابع:

1-پیشرفت های ابررسانایی دمای بالا؛ دکتر محمد اخوان، زهرا سادات یمینی ؛ آزمایشگاه تحقیقاتی مغناطیس دانشکده فیزیک، دانشگاه صنعتی شریف .

2-ابررسانایی(مبانی و کاربردهای آن) ؛ و.و.اشمیت، ترجمه دکتر ناصر تجبر ؛ انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد .

3- مقدمه ای بر ابررسانایی ؛ رز.انیس ، آلیستر کریستوفر ؛ ترجمه احسان ا… ضیائی؛ انتشارات سازمان انرژی اتمی

4- آشنایی با فیزیک حالت جامد ؛ چارلز کیتل ؛ ترجمه اعظم پورقاضی ؛ انتشارات مرکز نشر دانشگاهی .

5- آشنایی با فیزیک حالت جامد ؛ اچ پی مایرز ؛ ترجمه دکتر ناصر تجبر ؛ انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد .

6- الکترومغناطیس ، جان.آر.ریتس و همکاران ؛ ترجمه جلال صمیمی و همکاران ؛ انتشارات مرکز نشر دانشگاهی .

کپی برداری از مطلب فوق تنها با ذکر منبع (WWW.Daneshju.ir) و نام نویسنده (meisam_majdi) مجاز میباشد.