المقاومة الكهربية والتوصيلية الكهربية
editالمقاومة الكهربائية
editتُسمى أيضًا المقاومة الكهربائية المحددة أو المقاومة الحجمية. هي خاصية أساسية للمادة تحدد مدى قدرتها على مقاومة التيار الكهربائي المؤثر فيها. على عكس الموصلية الكهربائية، التي تحدد قدرة المادة لتوصيل التيار الكهربائي.
تشير المقاومة الكهربائية المنخفضة الى مادة جيدة التوصيل للتيار الكهربائي.
أسباب الموصلية الكهربائية
editنظرية الحزمة المبسطة
editوفقًا لميكانيكا الكم الأولية، فإن للإلكترون الذي يدور حول نواة الذرة أو البلورة طاقة محددة، وتنحصر هذه الطاقات في المستويات المشغولة بالإلكترونات فقط. عندما يكون لعدد كبير من هذه المستويات المملوءة بالإلكترونات كميات متقاربة من الطاقة -أي لها طاقات تختلف اختلافًا دقيقًا جدًا- تُسمى مستويات الطاقة المتقاربة مجتمعةً «حزم الطاقة». ربما يوجد العديد من حزم الطاقة في مادة ما، اعتمادًا على العدد الذري للذرات المكونة وتوزيعها داخل البلورة أو الذرة.
تسعى إلكترونات المادة إلى تقليل إجمالي الطاقة في المادة بواسطة الاستقرار في مستويات الطاقة المنخفضة، ومع ذلك، فإن مبدأ الاستبعاد لباولي ينص على أنه لا يمكن لاثنين من الإلكترونات أن يمتلكا نفس القيم لأعداد الكم الأربعة في الوقت ذاته. لذا فإن الإلكترونات «تملأ» هذه الحزم بدءًا من المستويات الأقل طاقة. يُطلق على مستوى الطاقة المميز الذي تملأه الإلكترونات بمستوى فيرمي. يُعد موقع مستوى فيرمي فيما يتعلق بالحزم مهمًا جدًا للتوصيل الكهربائي، إذ إن الإلكترونات الموجودة في مستويات الطاقة بالقرب من مستوى فيرمي أو فوقه فقط هي التي تمتلك حرية التنقل ضمن بنية المادة، إذ تستطيع الإلكترونات القفز بسهولة بين المدارين المشغولين جزئيًا بالإلكترونات في تلك المنطقة. بالمقابل، فإن طاقة المدارات المملوءة بالإلكترونات قليلة جدًا، وللمدارات البعيدة عن النواة، الخالية من الإلكترونات طاقة قليلة جدًا.
ينشأ التيار الكهربائي من حركة الإلكترونات. يوجد في المعادن العديد من مستويات الطاقة القريبة من مستوى فيرمي، وهذا يعني وجود الكثير من الإلكترونات القادرة على التنقل بحرية، المسؤولة عن التوصيل الكهربائي للمعادن.
جزء مهم من نظرية حرم الطاقة ينص على وجود حزم طاقة محظورة، التي يمكن تعريفها بأنها مدارات لا تحتوي على مستويات طاقة تحتوي على إلكترونات حرة الحركة. في العوازل وأشباه الموصلات، يكون عدد الإلكترونات في المدارات القريبة من النواة -التي تسمى بحزم التكافؤ- مساويًا لعددالإلكترونات التي تملأ المدارات البعيدة عن النواة، وتُسمى هذه المدارات بحزم التوصيل، في هذه الحالة، يقع مستوى فيرمي داخل فجوة الحزمة. نظرًا إلى عدم وجود إلكترونات قابلة للحركة بالقرب من مستوى فيرمي، فإن التوصيل الإلكتروني يكون منخفضًا جدًا أو معدومًا.
الموصلية الفائقة (المثالية)
editتتناسب المقاومة الكهربائية للموصل المعدني تناسبًا طرديًا مع درجة الحرارة. في الموصلات، مثل النحاس أو الفضة، يكون هذا التناسب محدودًا بوجود الشوائب. بالقرب من الصفر المطلق، تُظهِر عينة من موصل عادي بعض المقاومة. في الموصل الفائق، تنخفض المقاومة فجأة إلى الصفر عندما تُبرد المادة إلى ما دون درجة حرارتها الحرجة. قد يستمر التيار الكهربائي المتدفق في حلقة من الأسلاك فائقة التوصيل بالسريان دون توقف من دون مصدر طاقة. [1]
سنة ١٩٨٦ اكتشف الباحثون أن بعض المواد مثل «سيراميك نحاسي بيروفسكايت» تمتلك أعلى درجات حرارة حرجة، إذ صُنعت بدرجة حرارة حرجة تتجاوز ٩٠ كلفن (-١٨٣ درجة سيليزية). [2] نظريًا قد كان تحقيق انتقال كبير كهذا في درجات الحرارة مستحيلًا للموصل الفائق التقليدي، لذا أُطلِق على هذه الموصلات اسم الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية. يغلي النيتروجين السائل عند ٧٧ كلفن، وهو بارد بدرجة كافية لتنشيط الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية، لكنه ليس باردًا بدرجة كافية للموصلات الفائقة التقليدية. في الموصلات الفائقة التقليدية، تكون الإلكترونات مرتبة في أزواج بواسطة جذب الفوتونات الشبكية. أفضل نموذج متاح للموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية لا يزال بدائيًا إلى حد ما. توجد فرضية مفادها أن اقتران الإلكترون في الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية يتم بواسطة موجات الدوران قصيرة المدى المعروفة باسم الباراماجنون.[3]
- ^ John C. Gallop (1990). SQUIDS, the Josephson Effects and Superconducting Electronics. CRC Press. pp. 3, 20. ISBN 978-0-7503-0051-3.
- ^ "The History of Superconductors". Archived from the original on 3 March 2016. Retrieved 23 February 2016.
- ^ D. Pines (2002). "The Spin Fluctuation Model for High Temperature Superconductivity: Progress and Prospects". The Gap Symmetry and Fluctuations in High-Tc Superconductors. NATO Science Series: B. Vol. 371. New York: Kluwer Academic. pp. 111–142. doi:10.1007/0-306-47081-0_7. ISBN 978-0-306-45934-4.