Superconductors מוליך-על הינו חומר סגסוגתי שעשוי ממתכות או ממרכיב שמוליך חשמל בלי שתהיה לו התנגדות מתחת לטמפרטורה מסוימת. התנגדות אינה רצויה מאחר שהיא גורמת לאיבודים באנרגיה הזורמת בתוך החומר. ברגע שמפעילים חומר על-מוליך, זרם חשמלי מתחיל לזרום במעגל סגור מה שהופך אותו להיות כמו תנועה נצחית )מתמידה( בטבע. מדענים מתייחסים למוליכי-על כ- "תופעה קוונטית מאקרוסקופית". קווי הדחייה של השדה המגנטי מהעל-מוליך קצת על ההיסטוריה של מוליכי-על מוליכי-על הם חומרים שאין להם התנגדות לזרימה של חשמל. לא רק שעדיין לא השיגו את הגבולות של מוליכי-על, אלא שהתיאורית שמסבירות את את ההתנהגות של מוליכי-על בבדיקה מתמידה. בשנת 1111 התכונה של מוליכי-על נצפתה לראשונה בכספית על ידי פיזיקאי הולנדי בשם "הייקה קמירלינג - Onnes "Heike Kamerlingh מאונברסיטת.Leiden הפיזיקאי קירר את הכספית לטמפרטורה של היליום נוזלי, 4 מעלות קלווין )961- מע"צ(, ופתאום ההתנגדות של הכספית נעלמה. מאוחר יותר, בשנת 1111 זכה הייקה בפרס נובל בפיזיקה על מחקרו בתחום זה. בשנת 1111, כהמשך למחקריו של הייקה במטרה להבין כיצד חומר מתנהג בטמפרטורות קור קיצוניות, שני חוקרים גרמניים, Walther Meissner ו- Robert Ochsenfeld גילו שחומר מוליך-על דוחה שדה מגנטי )ראה ציור 1.( מגנט שנע על ידי מוליך משרה זרם בתוך המוליך עצמו. זהו העיקרון שלפיו פועל גנרטור חשמלי. אבל, במוליך-על הזרמים המושרים משקפים את השדה )שלפי מה שנאמר לעיל לגבי מוליך, הוא היה אמור לחדור לחומר מוליך-על( מה שגורם לדחיית המגנט. תופעה זו ידועה בשם "דיאמגנטיות" ולעיתים קוראים לה גם כן בשם "אפקט מייסנר". "אפקט מייסנר" די חזק עד כדי כך שהמגנט יכול לרחף מעל חומר מוליך-על. חומרים מוליכי-על בשנים הקדומות: niobium-nitride הוא בעל תכונות על מוליכיות ב- 16 מעלות קלווין 1141 1
vanadium-silicon הוא בעל תכונות על מוליכיות ב- 1..1 מעלות קלווין 1111 התיאוריה הראשונה שהתקבלה לתיאור אופן הפעולה של מוליכי-על הייתה בשנת.111 על ידי שלושת פיזיקאים אמיריקאיים. לתיאוריה קראו "BCS" )נגזר מהאות הראשונה של שם המשפחה של כל אחד מהם(. בשל התיאוריה של "BCS" הם זכו בפרס נובל בשנת 11.9. התיאוריה הנ"ל הוסברה באופן מתמטי מורכב בכדי להסביר את תופעת העל-מוליכיות בטמפרטורות קרוב לאפס המוחלט לאלמנטים וסגסוגות פשוטות. עם זאת, בטמפרטורות גבוהות ובמוליכי על שונים, התיאוריה שלהם לא היתה מספיקה כדי להסביר באופן מלא איך עובדים מוליכי-על. למידע נרחב אודות ההיסטוריה של מוליכי-על, ניתן לבקר ב: http://www.superconductors.org/history.htm מתכות הינם מוליכים טובים של זרם חשמלי. זאת אומרת שיש להם התנגדות נמוכה לזרימת החשמל אבל התנגדות זו אינה שווה לאפס. הבדל מתח עדיין נדרש במטרה לייצר זרם במתכת, והמתכת מתחממת בזמן שעובר בתוכה זרם. ההתנגדות החשמלית של אובייקטים לטמפרטורה יורדת לאט עם הירידה בטמפרטורה. בתחילת המאה הקודמת, מדען הולנדי גילה שקירור של דגימה של כספית קרוב לאפס המוחלט גורמת לאיבוד כל ההתנגדות החשמלית. כלומר במצב הזה, אין צורך בהבדל מתח על מנת ליצור זרם כי ההתנגדות לזרימת החשמל הינה אפס. הטבלה מציגה מתכות מוליכות-על עם הטמפרטורה שמתחתיה ההתנגדות החשמלית נעלמת. אלמנטים אלה חייבים להתקרר על ידי היליום נוזלי כדי להפוך להיות מוליכים-על. מאוחר יותר, בשנת 1191 התגלו חומרים קירמיים שיש להם תכונה של מוליכות-על אבל בטמפרטורות גבוהות יחסית )של 141 מע"צ מתחת לאפס(. במצב הזה, החומרי מקורר על ידי חנקן נוזלי. פיסיקה של מוליכי-על ישנם שני סוגים של מוליכי-על: סוג 1 של מוליכי-על קבוצה זו כוללת בתוכה מתכות ומתכות למחצה )מטלואידים( על-מוליכות שיש להם איכשהו התנגדות בטמפרטורות נורמליות, אבל ברגע שמקררים אותם מעבר לנקודה מסוימת, ההתנגדות שלהם הופכת להיות אפס. התיאוריה המשומשת היום להסבר תופעה זו היא."BCS" תיאורית "BCS" קובעת כי כאשר ישנו מספיק קירור, אז אלקטרונים יוצרים מה שנקרא "זוגות קופר" שמאפשרות להם לזרום 2
ללא הפרעה של מכשולים מולקולריים כגון גרעינים רוטטים. התופעה נקראת "פונון בתיווך מצומד" בגלל הקול הנוצר בתוך סריג גבישי בזמן שעוברים בו אלקטרונים. סוג 1 של מוליכי-על הם דיאמגנטים מושלמים, זאת אומרת, הם דוחים כל שדה מגנטי שהם נמצאים בו. סוג 9 של מוליכי-על קבוצה זו מורכבת ממרכיבים וסגסוגות מתכתיים. המרכיבים האלה )בדרך כלל, תחמוצת קרמיקה מתכתית(, יכולים להגיע לערכים גבוהים יותר של Tc )טמפרטורה קריטית לאיפוס ההתנגדות(, אך המנגנון לאיך הם עושים את זה לא ידוע עודו. סביר להניח שזה קורה בשל השכבות המישוריות בסריג הגבישי. תיאוריות מסוימות חוזות שישנו גבול עליון לטמפרטורה Tc של מוליכי על מסוג 9 ואחרים טוענים שאין גבול. נכון ליום שבו לאחרונה נכתב הטקסט שממנו נלקח החומר, הטמפרטורה הגבוהה ביותר של Tc הינה 119 קלווין. סוג 9 אינו נחשב לדיאמגנטי מושלם משום שהם מאפשרים לחלק מהשדה המגנטי לחדור דרכם. בנוסף, הם לא משנתנים פתאום ממצב שיש בהם התנגדות למצב שאין בכלל. כלומר, ישנו טווח של טמפרטורות שבו ניתן למצוא את המצב המעורב. שימושים של מוליכי-על רכבות ריחוף מגנטי )רכבות מגלב( משתמשות במוליכי-על בכדי לרחף מעל מסילות הרכבת המגנטיות. זה מאפשר להם לפעול ללא חיכוך, ולכן הן יכולות להגיע למהירויות בלתי מתקבלות על הדעת. בתמונה למטה רואים התקנת אחת הרכבות המרחפות הראשונות בארה"ב בורגיניה. למרבה הצער, בשל המסלול הקצר 3
שהרכבת נוסעת עליו היא יכולה להגיע רק למהירות של 41 קמ"ש. מסלול מספיק ארוך לרכבות מגלב מאפשר להם ליסוע במהירות של מעל 111 קמ"ש. רכבות אלה הן גם כן יעילות בגלל ההפחתה באיבודי אנרגיה בחיכוך בין הרכבת למסילה. MRI )דימות תהודה מגנטית(: הן מכונות המשתמשות במוליכים-על על מנת להעביר שדה מגנטי מספיק חזק כדי שאטומי המימן שבשומן בגוף האדם ובמולקולות המים יוכלו לאסוף אנרגיה מהשדה שניתן להבחין לאחר מכן באמצעות מכשירים מיוחדים. בתמונה, ניתן לראות שליד המסילה ישנם קירות עם סדרה רציפה של סלילי תיל אנכיים המורכבים בפנים. התיילים בתוך הסלילים האלה אינם מוליכי-על. כשהרכבת עוברת ליד כל סליל, התנועה של כל אחד מהמגנטים המוליכים-על שנמצאים על הרכבת, משרה זרם בתוך הסלילים והופך אותם להיות אלקטרומגנטיים. האלקטרומגנטיות על הרכבת ומחוץ לה יוצרים כוחות שגורמים להרחפת הרכבת ולשמור אותה בצורה מרוכזת על המסלול. Drawings of Maglev train showing magnets both on-board and built into sidewalls; drawings courtesy of Railway Technical Research Institute Maglev Systems Development Department 4
בבליוגרפיה 1. Superconductors, http://www.superconductors.org/index.htm, 2010-2011. 2. Superconductors, http://www.physicscentral.com/explore/action/super-1.cfm, American Physical Society 2012. 3. http://ffden- 2.phys.uaf.edu/212_fall2003.web.dir/rodney_guritz%20folder/0resistance.htm שם סטודנט: רשא עבדו מס. סטודנט: 111966499 5