پایان نامه بررسي ذخيره كردن انرژي مغناطيس توسط ابررساناها و آن بر روي شبكه هاي برق رساني
مقدمه:
حدود 70 سال پيشرفتهاي انجام شده براي افزايش دماي بحراني به كندي انجام گرفت. از سال 1911 تا سال 1973 يعني حدود 62 سال دانشمندان تنها توانستند دماي بحراني را از 4 درجه به 3/23 درجه كلوين كه كمي بيشتر 3/20 كلوين يعني دماي ئيدروژن مايع است برسانند اما كار با ئيدروژن مايع نيز پرهزينه، مشكل آفرين و خطرساز بود و كاربردهاي ابررسانا را محدود مي ساخت. در سالهاي بعد علاوه بر فلزات و آلياژهاي فلزي، فعاليتهايي در زمينه تركيبات نيمه فلزي توسط برخي دانشمندان آغاز شد اما هنوز ماده اي ديگري به جز فلزات و آلياژها يافته نشده بود كه بتواند در دماهاي مورد انتظار ابررسانا باشد. سرانجام در 27 ژانويه سال 1986 جرج بدنورز و آلكس مولر در مؤسسه تحقيقاتي IBM شهر زوريخ سوئيس موفق به كشف پديدة ابررسانايي در سراميكي از نوع اكسيد مس و شامل لانتانوم و باريوم شدند. دماي بحراني نمونه ساخته شده، حدود 35 درجه كلوين بود و آنها نيز به خاطر كشف ابررساناهاي دما بالا (HTS) موفق به دريافت جايزة نوبل در سال 1987 شدند. طي مدت زمان كوتاهي پس از كشف ابررسانايي دما بالا، دسترسي به دماهاي بحراني بالاتر به سرعت توسعه يافت. يك ماه بعد از كشف بدنورز و مولر، تاناكا و همكاران وي در توكيو نتايج آنها را تأييد نمودند و نتايج فعاليت آنها در يكي از نشريات ژاپني به چاپ رسيد. اندكي بعد از كشف اكسيد مس حاوي باريوم و لانتانوم، در نتيجه همكاري پاول چو از دانشگاه هوستون و مانگ كنگ وو از دانشگاه آلاباما، عضو جديدي از خانواده مواد ابرساناهاي دما بالا با جايگزيني ايتريوم Y به جاي لانتانوم كشف شد. اين ماده سراميكي كه دماي بحراني آن به 92 درجه كلوين مي رسيد، به YBCO معروف شد. با توجه به نقطه جوش نيتروژن كه 77 درجه كلوين در فشار يك اتمسفر است، براي سرد شدن اين ابررسانا تا دماي بحراني استفاده از نيتروژن مايع هم امكانپذير بود كه بسيار ارزان تر و بي خطرتر از ئيدروژن و هليم مايع بود. بنابراين فقط در طي يك سال از كشف اصلي، دماي انتقال به حالت ابررسانايي افزايش سه برابر داشت و واضح بود كه انقلاب ابررساناها شروع شده است. براي پاسداشت تحول مهمي كه در علم فيزيك واقع شده بود، توسط انجمن فيزيكدانان آمريكايي در بعدازظهر يكي از روزهاي مارس 1987 جشني هم در نيويورك برگزار شد. اين جشن 3000 شركت كننده داشت و حدود 3000 نفر نيز اين جشن را از طريق تلويزيون مدار بسته در خارج از محل اصلي تماشا كردند. در طول شش سال بعد، چند خانواده ديگر از ابررساناها كشف شدند كه شامل تركيبات شامل توليوم (Tl) و جيوه (Hg) بوده و داراي حداكثر دماي بحراني بيشتر از 120 درجه كلوين بودند. بالاترين مقدار تأييد شده دماي بحراني در فشار معمولي يك اتمسفر، 135 درجه كلوين و متعلق به مي باشد. به صورت تجربي معلوم شده است اگر ماده ابررسانا به صورت مكانيكي تحت فشار قرار گيرد، دماي بحراني ابررسانا كمي تغيير مي كند. در سال 1993، دماي بحراني 165 درجه كلوين (108- درجه سانتيگراد) نيز در تركيبي از اكسيد مس و جيوه و البته تحت فشارهاي خيلي بالا گزارش شد. همگي ابررساناهاي مورد اشاره يك ويژگي مشترك داشتند. وجود سطوح تراز شامل اتمهاي اكسيژن و مس كه با مواد حامل بار براي سطوح تراز از يكديگر جدا مي شوند. با توجه به كاربردهاي مختلف ابررساناها، بسياري از تلاشها بر افزايش دماي عملكرد ابررساناها تا دستيابي به دماي اتاق متمركز شده است.
هر چند دماي بحراني تركيبات جديد سراميكي در حد قابل توجهي از دماي بحراني مواد ابررساناي متعارف (فلزات و آلياژها) بزرگتر است، به دليل خصوصيات فيزيكي اين مواد مانند شكنندگي و پايين بودن چگالي و جريان بحراني كاربردهاي اين مواد هنوز در مرحلهي تحقيق است. اخيراً سعيد سلطانيان به همراه يك گروه علمي به سرپرستي پروفسور شي زو دو در دانشگاه ولونگونگ استراليا ابررسانايي ساخته اند كه بالاترين ركورد را از نظر خواص مكانيكي در ميان ابررسانا دارد. اين ابررسانا به شكل سيم يا نواري از جنس دي بريد منيزيم () با پوششي از آهن است و امكان انعطاف براي ساخت تجهيزات مختلف الكتريكي را داراست.
ابررساناهاي جديد عموماً سراميكي و اكسيدهاي فلزي ورقه ورقه هستند كه در دماي اتاق مواد نسبتاً بي ارزشي محسوب مي شوند و البته كاربردهاي متفاوتي نيز دارند. اكسيدهاي فلزي ابررسانا در مقايسه با فلزات شامل كمي حامل بار معمولي هستند و داراي خواص انيسوتوروپيك الكتريكي و مغناطيسي مي باشند. اين خواص به نحو قابل ملاحظه اي حساس به محتواي اكسيژن مي باشند. نمونه هاي ابررساناي موادي مانند را يك دانش آموز دبيرستاني نيز مي تواند در يك اجاق ميكروويو توليد كند اما براي تشخيص خواص فيزيكي ذاتي، كريستال هاي يكتايي با درجه خلوص بالا مورد نياز است كه فرايند ساخت پيچيده اي دارند.
1-2- ابررسانايي :
در سال 1908 وقتي كمرلينگ اونز هلندي در دانشگاه ليدن موفق به توليد هليوم مايع گرديد حاصل شد كه با استفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود يك درجه كلوين برسد.
يكي از اولين بررسي هايي كه اونز با اين درجه حرارت پايين قابل دسترسي انجام داد مطالعه تغييرات مقاومت الكتريكي فلزات بر حسب درجه حرارت بود. چندين سال قبل از آن معلوم شده بود كه مقاومت فلزات وقتي دماي آنها به پايينتر از دماي اتاق برسد كاهش پيدا مي كند. اما معلوم نبود كه اگر درجه حرارت تا حدود كلوين تنزيل يابد مقاومت تا چه حد كاهش پيدا مي كند. آقاي اونز كه با پلاتينيم كار مي كرد متوجه شد كه مقاومت نمونه سرد تا يك مقدار كم كاهش پيدا مي كرد كه اين كاهش به خلوص نمونه بستگي داشت. در آن زمان خالص ترين فلز قابل دسترس جيوه بود و در تلاش براي بدست آوردن رفتار فلز خيلي خالص اونز مقاومت جيوه خالص را اندازه گرفت. او متوجه شد كه در درجه حرارت خيلي پايين مقاومت جيوه تا حد غير قابل اندازه گيري كاهش پيدا مي كند كه البته اين موضوع زياد شگفت انگيز نبود اما نحوه از بين رفتن مقاومت غير منتظره مينمود. موقعي كه درجه حرارت به سمت صفر تنزل داده مي شود به جاي اينكه مقاومت به آرامي كاهش يابد در درجه حرارت 4 كلوين ناگهان افت مي كرد و پايين تر از اين درجه حرارت جيوه هيچگونه مقاومتي از خود نشان نمي داد. همچنين اين گذرا ناگهاني به حالت بي مقاومتي فقط مربوط به خواص فلزات نمي شد و حتي اگر جيوه ناخالص بود اتفاق مي افتاد. آقاي اونز قبول كرد كه پايين تر از 4 كلوين جيوه به يك حالت ديگري از خواص الكتريكي كه كاملا با حالت شناخته شده قبلي متفاوت بود رفته است و اين حالت تازه «حالت ابر رسانايي» نام گرفت.
بعداً كشف شد كه ابررسانايي را مي توان از بين برد (يعني مقاومت الكتريكي را مي توان مجددا بازگردانيد.) و در نتيجه معلوم شد كه اگر يك ميدان مغناطيسي قوي به فلز اعمال شود اين فلز در حالت ابررسانايي داراي خواص مغناطيسي بسيار متفاوتي با حالت درجه حرارتهاي معمولي ميباشد.
تاكنون مشخص شده است كه نصف عناصر فلزي و همچنين چندين آلياژ در درجه حرارتهاي پايين ابر رسانا مي شوند. فلزاتي كه ابررسانايي را در درجه حرارت هاي پايين از خود نشان مي دهند (ابر رسانا) ناميده مي شوند. سالهاي بسياري تصور مي شد كه تمام ابررساناها بر طبق يك اصول مشابه رفتار مي كنند.
اما اكنون ثابت شده است كه دو نوع ابررسانا وجود دارد كه به نوع I و II مشهور مي باشد. اغلب عناصري كه ابررسانا هستند ابررسانايي از نوع I را از خود نشان مي دهند. در صورتي كه آلياژها عموماً ابررسانايي از نوع II را از خود نشان مي دهند. اين دو نوع چندين خاصيت مشابه دارند. اما رفتار مغناطيسي بسيار متفاوتي از خود بروز مي دهند.
پديدهي ابررسانايي در تكنولوژي از توانايي گستردهاي برخوردار است زيرا بر پايهي اين پديده بارهاي الكتريكي مي توانند بدون تلفات گرمايي از يك رسانا عبور كنند. به طور مثال جريان القا شده در يك حلقهي ابررسانا بدون وجود هيچ باطري در مدار به مدت چند سال بدون كاهش باقي مي ماند. براي نمونه در واشنگتن از يك خلقه ابررساناي بزرگ براي ذخيره كردن انرژي الكتريكي در ت كوما استفاده مي شود. ذخيرهي انرژي در اين حلقه تا 5 مگاوات بالا مي رود و انرژي در مدت مورد نظر آزاد مي شود.
عمده مشكل ايجاد كردن شرايط براي اين پديده دماي بسيار پايين آن مي باشد كه بايد دماهاي بسيار پايين را محيا كرد. اما در سال 1986 مواد سراميكي جديدي كشف شد كه در دماهاي بالاتري توانايي ابررسانايي را داشته باشد. (تا اكنون در دماي 138 درجه كلوين اين امر ميسر شده است.)
1-3- كاربردهاي ابررسانايي :
كاربردهاي زيادي را براي ابررساناها در نظر گرفته است بعنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شد كه مدار ماهواره هاي چرخنده به دور زمين با دقت بسيار بالايي كنترل شوند. خاصيت اصلي ابر رساناها به دليل نداشتن مقاومت الكتريكي امكان انتقال جريان الكتريكي – حجم كوچكي از ابرسانا است. بهمين خاطر اگر بجاي سيمهاي مسي از ابر رساناها استفاده شود، موتورهاي فضاپيماها تا 6 برابر نسبت به موتورهاي فعلي سبكتر خواهند شد و باعث مي شود كه وزن و فضاپيما بسيار كاهش يابد.
از ديگر زمينه هايي كه ابررساناها مي توانند نقش اساسي در آنها بازي مي كنند مي توان كاوشهاي بعدي انسان از فضا را نام برد. ابررساناها بهترين گزينه براي توليد و انتقال بسيار كارآمد انرژي الكتريكي هستند و طي شبهاي طولاني ماه كه دما تا 173- درجه سانتي گراد پايين مي آيد و طي ماههاي ژانويه تا مارس دستگاههاي MRI ساخته شده از سيمهاي ابررسانا، ابزار تشخيص دقيق و توانمندي در خدمت سلامت خدمه فضاپيما خواهد بود. و همچنين ساخت ابر كامپيوترهاي بسيار كوچك و كم مصرف مي باشد.
1-4- سيستم هاي حياتي (زنده) به عنوان ابررسانا
در اين بخش TGD هاي مختلف براساس ايده هاي مربوط به نقش ابررسانايي در سيستمهاي حياتي مطالعه و بررسي شده است. TGD نظريه گروه به چند دليل در مورد اين امر است.
1-4-1- مقادير بحراني، سلسله مراتب مواد ناشناخته، و بارهاي ديناميكي :
مقدار بحراني براساس ويژگي جامعه TGD و مقدار بحراني ابررساناي بوجود آورنده يك آزمايش عالي براساس توسعه ايده هاي مربوط به حياتي بودن كوانتوم نسبت به شكل پيوسته است.
فرضيه هايي كه ثابت پلانك در مورد M4 و CP2 ، در درجه هاي آزاد فرايند ديناميكي هستند طيف كمي معيني به عنوان عدد صحيح چندگانه مقدار ميزان ثابت پلانك.
بعلاوه چند ثابت نسبت به مفهوم حياتي بودن كوانتوم ارائه شده است تعداد نظريه هاي مورد توجه مطابق با فرضيه اي است كه مطابق با رابطه Fermat است كه به عنوان ، در اين جا ماده هاي Fermat است اين دليل چنيني است كه كوانتوم فاز در مورد استفاده تغييري از است به طوري كه اين فرضيه بسياري قوي تر از ميزان طول p – adic است. كه داراي ميزان ماهواره اي ارائه شده چندگانه nF ميزان طول p-adic است. منطبق با چارچوب TGD نسبت به ثابت بنيادي به عنوان شهرت زوج kahler است. Cp2 شعاع و طول planek است كه براي كشش، رشته هاي فيزيكي ظاهر مي شود.
و به نظر مي رسد مطابق با موضوع زندگي است.
فازها با ميزان متفاوت M4 و CP2 ثابت پلانك مثل مواد تار با توجه به يكديگر در مفهومي است كه آنها عكس العمل دقيقي بجز در رابطه با كمبود بين بخشهاي متفاوت فضاي اشباع متصل به يكديگر در امتداد عوامل و M4 است. در فاز بزرگ (M4) زمان كوانتوم متفاوت و ميزان طول اندازه گيري شده است بطوريكه به معاني ماكروسكوپيك و ماكروتمپورال كوانتوم موقتي است.
تنها زوج ثابت نشرت نظريه زوج ثابت kahler در است بطوريكه در تعريف كاركرد kahler ويژگي k در هندسه تركيب بندي فضاي سطحي 30 تعريف شده است (كلمه اي از كلمههاي كلاسيك) k به تعريف مقايسه كاركردي فلادِ نسبت به تفسير Hamilton در ترموديناميك مي پردازد. ميزان (s) از مقايسه اي نسبت به دماي حياتي (s) است كه توسط كوانتوم حياتي لازم تعريف شده است. برعكس فرضيه هاي اصلي توسط الزامات و ارتباط زوج گرانشي يك واريانس غير نرمال است. به نظر نمي رسد وابسته به p-adic است كه در اينجا ثابت گرانش نسبت به نسبي است. اين موفقيت با اين فرضيه بكار رفته است كه گرانش مرتبط با بزرگترين فيزيك نجومي Mersenne نخستين است بطوريكه زوج (ارتباط) گرانشي بطور موثري واريانس در ارزيابي ثابت مرتبط p-adic است.
و در رابطه تغيير و عدم تغيير جبرهاي همسان ظاهر شده است. تنها ميزان M4 و ثابت پلانك در عملكرد kahler ظاهر شده كه به خاطر اين حقيقت است كه M4 و متريك بخش فضاي اشباع با ميزان داده شده ثابت plank نسبت به رابطه ثابت پلانك نسبي است. اين امر در بردارنده اين موضوع است كه كاركرد و kahler براي اصلاح راديواكتيو براي عمل كلاسيك است كه توجه به اين احتمال را امكان پذير مي سازد كه رابط راديواكتيو بيشتر كاركرد انتگرال تا حد امكان حياتي بودن كوانتوم را مدنظر دارد. براي ميزان طول p-adic زمان فضا با ميزان ثابت پلانك امكان پذير است. پس طيف حياتي كوانتوم نوساني در مورد ايده آل پاسخگوي طيف رمز h bar براي اندازه گيري ميزان طول Compton و ديگر طول كامپتون و زمان پرداخته است. پس فاز بزرگ h bar براي درك ابررساناي حياتي كوانتوم در ابررساناهايT c بسيار حياتي است.
ايده بزرگتر مجدد اين است كه انتقال به فاز h bar بزرگ زماني رخ مي دهد كه نظريه انحراف كاهش يابد و تا نظم كلاسيك قابل پيش بيني افزايش نيافته است. كاركرد كميت معيار طول واكنش معياري است كه حداكثر 2- طول معيار عملي پارامتريك بر طبق است كه شرايط 1 است.
TGD نظريه خطي نامحدود خازن كه مثل مواد تار يا تار خاص عمل مي كند با توجه به مواد معمولي و ميزان h bar كه تنها ويژگي اين فاز است را پيش بيني مي كند. اين فاز آنقدر فاز h bar بزرگي است كه به نظر مي رسد براي درك hadronic، فيزيك هسته اي و مواد چگالنده ضروري است. اين تقويت انگيزه ها براي كشف اينكه آيا مواد تار با ابررساناي كوانتوم حياتي درگير است.
فلسفه CUSP بعنوان متاخود حياتي است. در مورد اخير دما و ناخالص متغيرهاي كنترل هستند و رأس آن حداكثر ميزان Tc است. مناطق حياتي مرتبط با فلسفه كاسپ است. كوانتوم حياتي كلي نگري (عمومي بودن) كاسپ نسبت به مولفه كاسپ است. درون خطوط حياتي كاسپ چند كاسپ وجود دارد كه كاسپهاي اضافي هستند كه مرتبط با سطوح بيشتر در خطوط مواد تار با برچسب ميزان در حال افزايش ارقام h bar است و آنها مرتبط با سلسله كوانتوم ظريف فاز مواد تار در افزايش ميزان طول است اما ممكن است توصيف كاملي از هر ميزان از آنها باشد.
1-4-2- 2. بسياري از مفهوم زمان – فضا و ايده ايي كه مورد فاز كوانتوم در ماكروسكوپيك
بسياري از رساناهاي زمان – فضا نسبت به ايده هاي آشكار مرتبط با تشخيص فاز كوانتوم ماكروسكوپيك است.
1) كاهش نسبت به صفحات زمان – مكان است كه بطور گسترده اي مكانيسم ابررسانايي را جذب كرده است. اگر ورقه هاي زمان – مكان بطور حرارتي جدا شود، ورقه هاي زمان – مكان دما و ابررسانايي بي نهايت پاييني است.
2) احتمال فاز بزرگ h bar باعث افزايش اين فرضيه مي شود كه ورقه (لايه) زمان – مكان توسط (ديفرانسيل) اختلاف ميزان طول p-adic طبقه بندي شده است و بصورت حرارتي جدا شده است. افزايش ميزان متفاوت ورقه زمان – مكان مرتبط با سلسله ارقام h bar است كه ميزان انرژي جنبش و انرژي واكنش مغناطيسي مشابه تمام اين ورقه هاي زمان – مكان است. مثلاً : براي اندازهگيري تفاوت ورقه زمان – مكان با داشتن اندازه طبقه بندي شده توسط و ضخامت غشاء سلول 1 دماي حياتي ابررسانايي مي تواند بيش از دماي اتاق باشد.
3) موجوديت ثابت كل يكي از چند پيش بيني عجيب TGD است. تشخيص تاس هاي حفرههاي مارپيچ را مي توان بر طبق جفت پارتون و ضد پارتون با تشخيص ضد پارتون نسبت به اجراي افقي پس تماس هاي حفره هاي مارپيچي قابل توجه است و Higgs عملي مسئول تماس حفره مارپيچ است كه درها را براي پيوستن مدلهاي ابررسانايي دخيل در حجم فوتونها باز كرده است.
تشكيل حالت پيوسته تماس هاي حفره هاي مارپيچ نقطه مقابل به استثناي ميزان فلاير Higgs است. مفهوم حالتهاي پيوسته اجزاء cooper و شارژ Higgs متضاد با حفاظت شارژ الكترومغناطيسي است.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.