સુપરકન્ડક્ટર અને ક્રાયોકન્ડક્ટર

સુપરકન્ડક્ટર અને ક્રાયોકન્ડક્ટર

જાણીતી 27 શુદ્ધ ધાતુઓ અને એક હજારથી વધુ વિવિધ એલોય અને સંયોજનો જેમાં સુપરકન્ડક્ટીંગ અવસ્થામાં સંક્રમણ શક્ય છે. આમાં શુદ્ધ ધાતુઓ, એલોય, ઇન્ટરમેટાલિક સંયોજનો અને કેટલીક ડાઇલેક્ટ્રિક સામગ્રીનો સમાવેશ થાય છે.

સુપરકન્ડક્ટર્સ

જ્યારે તાપમાનમાં ઘટાડો થાય છે ધાતુઓનો વિશિષ્ટ વિદ્યુત પ્રતિકાર ઘટે છે અને ખૂબ જ નીચા (ક્રાયોજેનિક) તાપમાને, ધાતુઓની વિદ્યુત વાહકતા સંપૂર્ણ શૂન્ય સુધી પહોંચે છે.

1911 માં, જ્યારે થીજી ગયેલા પારાના રિંગને 4.2 K તાપમાને ઠંડું કરી રહ્યા હતા, ત્યારે ડચ વૈજ્ઞાનિક જી. કેમરલિંગ-ઓન્સે શોધી કાઢ્યું હતું કે રિંગ્સનો વિદ્યુત પ્રતિકાર અચાનક ખૂબ જ નાના મૂલ્ય સુધી ઘટી ગયો હતો જે માપી શકાય તેમ નથી. વિદ્યુત પ્રતિકારની આવી અદ્રશ્યતા, એટલે કે. સામગ્રીમાં અનંત વાહકતાનો દેખાવ સુપરકન્ડક્ટિવિટી કહેવાય છે.

જ્યારે પૂરતા પ્રમાણમાં નીચા તાપમાનના સ્તરે ઠંડું કરવામાં આવે ત્યારે સુપરકન્ડક્ટિંગ સ્થિતિમાં પસાર થવાની ક્ષમતા ધરાવતી સામગ્રીને સુપરકન્ડક્ટર કહેવાનું શરૂ થયું.નિર્ણાયક ઠંડક તાપમાન કે જેના પર દ્રવ્યનું સુપરકન્ડક્ટિંગ અવસ્થામાં સંક્રમણ થાય છે તેને સુપરકન્ડક્ટિંગ ટ્રાન્ઝિશન તાપમાન અથવા જટિલ સંક્રમણ તાપમાન Tcr કહેવામાં આવે છે.

સુપરકન્ડક્ટીંગ સંક્રમણ ઉલટાવી શકાય તેવું છે. જ્યારે તાપમાન Tc સુધી વધે છે, ત્યારે સામગ્રી તેની સામાન્ય (બિન-વાહક) સ્થિતિમાં પાછી આવે છે.

સુપરકન્ડક્ટર્સની લાક્ષણિકતા એ છે કે એકવાર સુપરકન્ડક્ટિંગ સર્કિટમાં પ્રેરિત કર્યા પછી, ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ તેની તાકાતમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો કર્યા વિના અને વધુમાં, બહારથી ઊર્જાના વધારાના પુરવઠા વિના આ સર્કિટ સાથે લાંબા સમય સુધી (વર્ષો) સુધી ફરશે. કાયમી ચુંબકની જેમ, આવી સર્કિટ આસપાસની જગ્યામાં બનાવે છે ચુંબકીય ક્ષેત્ર.

1933 માં, જર્મન ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ વી. મેઇસનર અને આર. ઓક્સનફેલ્ડે સ્થાપિત કર્યું કે સુપરકન્ડક્ટિંગ સ્થિતિમાં સંક્રમણ દરમિયાન સુપરકન્ડક્ટર આદર્શ ડાયમેગ્નેટ બની જાય છે. તેથી, બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્ર સુપરકન્ડક્ટિંગ શરીરમાં પ્રવેશતું નથી. જો સામગ્રીનું સુપરકન્ડક્ટીંગ અવસ્થામાં સંક્રમણ ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં થાય છે, તો તે ક્ષેત્ર સુપરકન્ડક્ટરમાંથી "દબાણ" થાય છે.

જાણીતા સુપરકન્ડક્ટર્સમાં ખૂબ જ ઓછું જટિલ સંક્રમણ તાપમાન Tc હોય છે. તેથી, ઉપકરણો કે જેમાં તેઓ સુપરકન્ડક્ટરનો ઉપયોગ કરે છે તે પ્રવાહી હિલીયમ ઠંડકની સ્થિતિમાં કામ કરે છે (સામાન્ય દબાણ પર હિલીયમનું પ્રવાહી તાપમાન લગભગ 4.2 DA SE છે). આ જટિલ બનાવે છે અને સુપરકન્ડક્ટિંગ સામગ્રીના ઉત્પાદન અને સંચાલનની કિંમતમાં વધારો કરે છે.

પારો ઉપરાંત, સુપરકન્ડક્ટિવિટી અન્ય શુદ્ધ ધાતુઓ (રાસાયણિક તત્વો) અને વિવિધ એલોય અને રાસાયણિક સંયોજનોમાં સહજ છે. જો કે, મોટાભાગની ધાતુઓ જેમ કે ચાંદી અને તાંબામાં, આ ક્ષણે પહોંચેલ નીચું તાપમાન જો સ્થિતિ નિષ્ફળ જાય તો સુપરકન્ડક્ટિંગ બની જાય છે.

સુપરકન્ડક્ટિવિટીની ઘટનાનો ઉપયોગ કરવાની શક્યતાઓ Tc ની સુપરકન્ડક્ટિંગ સ્થિતિમાં સંક્રમણના તાપમાનના મૂલ્યો અને ચુંબકીય ક્ષેત્રની નિર્ણાયક શક્તિ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે.

સુપરકન્ડક્ટિંગ સામગ્રી નરમ અને સખત વિભાજિત. સોફ્ટ સુપરકન્ડક્ટર્સમાં નિઓબિયમ, વેનેડિયમ, ટેલુરિયમ સિવાય શુદ્ધ ધાતુઓનો સમાવેશ થાય છે. સોફ્ટ સુપરકન્ડક્ટરનો મુખ્ય ગેરલાભ એ નિર્ણાયક ચુંબકીય ક્ષેત્રની તાકાતનું નીચું મૂલ્ય છે.

વિદ્યુત ઇજનેરીમાં, સોફ્ટ સુપરકન્ડક્ટરનો ઉપયોગ થતો નથી, કારણ કે તેમાંની સુપરકન્ડક્ટિંગ સ્થિતિ ઓછી વર્તમાન ઘનતા પર નબળા ચુંબકીય ક્ષેત્રોમાં પહેલેથી જ અદૃશ્ય થઈ જાય છે.

સોલિડ સુપરકન્ડક્ટર્સમાં વિકૃત ક્રિસ્ટલ જાળીવાળા એલોયનો સમાવેશ થાય છે. તેઓ પ્રમાણમાં ઊંચી વર્તમાન ઘનતા અને મજબૂત ચુંબકીય ક્ષેત્રોમાં પણ સુપરકન્ડક્ટિવિટી જાળવી રાખે છે.

આ સદીના મધ્યમાં નક્કર સુપરકન્ડક્ટરના ગુણધર્મો શોધવામાં આવ્યા હતા, અને અત્યાર સુધી તેમના સંશોધન અને એપ્લિકેશનની સમસ્યા એ આધુનિક વિજ્ઞાન અને તકનીકીની સૌથી મહત્વપૂર્ણ સમસ્યાઓમાંની એક છે.

સોલિડ સુપરકન્ડક્ટર્સમાં સંખ્યાબંધ કાર્યો છે:

• ઠંડક પર, સુપરકન્ડક્ટિંગ અવસ્થામાં સંક્રમણ અચાનક થતું નથી, જેમ કે સોફ્ટ સુપરકન્ડક્ટર્સમાં અને ચોક્કસ તાપમાનના અંતરાલ માટે;

• કેટલાક નક્કર સુપરકન્ડક્ટર્સમાં માત્ર પ્રમાણમાં ઊંચા મૂલ્યો જટિલ સંક્રમણ તાપમાન Tc નથી, પણ પ્રમાણમાં ઊંચા મૂલ્યો જટિલ ચુંબકીય ઇન્ડક્શન Vkr પણ છે;

• ચુંબકીય ઇન્ડક્શનના ફેરફારોમાં, સુપરકન્ડક્ટિંગ અને સામાન્ય વચ્ચેની મધ્યવર્તી સ્થિતિઓ અવલોકન કરી શકાય છે;

• તેમના દ્વારા વૈકલ્પિક પ્રવાહ પસાર કરતી વખતે ઉર્જાનો વિસર્જન કરવાની વૃત્તિ હોય છે;

• ઉત્પાદનની તકનીકી પદ્ધતિઓ, સામગ્રીની શુદ્ધતા અને તેની સ્ફટિક રચનાની સંપૂર્ણતામાંથી સુપરકન્ડક્ટિવિટીના વ્યસનકારક ગુણધર્મો.

તકનીકી ગુણધર્મો અનુસાર, નક્કર સુપરકન્ડક્ટરને નીચેના પ્રકારોમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે:

• જેમાંથી વાયર અને સ્ટ્રીપ્સ પ્રમાણમાં સરળતાથી વિકૃત છે [niobium, niobium-titanium alloys (Nb-Ti), વેનેડિયમ-ગેલિયમ (V-Ga)];

• નાજુકતાને કારણે વિકૃત થવું મુશ્કેલ છે, જેમાંથી ઉત્પાદનો પાવડર ધાતુવિજ્ઞાન પદ્ધતિઓ દ્વારા મેળવવામાં આવે છે (ઇન્ટરમેટાલિક સામગ્રી જેમ કે નિઓબિયમ સ્ટેનાઇડ Nb3Sn).

ઘણીવાર સુપરકન્ડક્ટીંગ વાયર તાંબા અથવા અન્ય અત્યંત વાહક સામગ્રીના બનેલા "સ્થિર" આવરણથી ઢંકાયેલા હોય છે. વીજળી અને ધાતુની ગરમી, જે તાપમાનમાં આકસ્મિક વધારા સાથે સુપરકન્ડક્ટરની મૂળ સામગ્રીને નુકસાન પહોંચાડવાનું શક્ય બનાવે છે.

કેટલાક કિસ્સાઓમાં, સંયુક્ત સુપરકન્ડક્ટિંગ વાયરનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જેમાં સુપરકન્ડક્ટિંગ સામગ્રીના પાતળી ફિલામેન્ટ્સ મોટી સંખ્યામાં તાંબા અથવા અન્ય બિન-વાહક સામગ્રીના ઘન આવરણમાં બંધ હોય છે.

સુપરકન્ડક્ટીંગ ફિલ્મ સામગ્રીમાં વિશિષ્ટ ગુણધર્મો છે:

• જટિલ સંક્રમણ તાપમાન Tcr કેટલાક કિસ્સાઓમાં નોંધપાત્ર રીતે Tcr બલ્ક સામગ્રી કરતાં વધી જાય છે;

• સુપરકન્ડક્ટરમાંથી પસાર થતા મર્યાદિત પ્રવાહોના મોટા મૂલ્યો;

• સુપરકન્ડક્ટીંગ સ્ટેટમાં સંક્રમણની ઓછી તાપમાન શ્રેણી.

બનાવતી વખતે સુપરકન્ડક્ટરનો ઉપયોગ થાય છે: વિદ્યુત મશીનો અને ટ્રાન્સફોર્મર્સ નાના સમૂહ અને ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા પરિબળ સાથેના પરિમાણો; લાંબા અંતર પર પાવર ટ્રાન્સમિશન માટે મોટી કેબલ લાઇન; ખાસ કરીને ઓછા એટેન્યુએશન વેવગાઇડ્સ; પાવર અને મેમરી ઉપકરણો ચલાવે છે; ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપના ચુંબકીય લેન્સ; પ્રિન્ટેડ વાયરિંગ સાથે ઇન્ડક્ટન્સ કોઇલ.

ફિલ્મના આધારે સુપરકન્ડક્ટરોએ સંખ્યાબંધ સ્ટોરેજ ડિવાઇસ બનાવ્યા અને ઓટોમેશન તત્વો અને કમ્પ્યુટિંગ ટેકનોલોજી.

સુપરકન્ડક્ટરમાંથી ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક કોઇલ ચુંબકીય ક્ષેત્રની શક્તિના મહત્તમ સંભવિત મૂલ્યો મેળવવાનું શક્ય બનાવે છે.

ક્રાયોપ્રોબ્સ

કેટલીક ધાતુઓ નીચા (ક્રાયોજેનિક) તાપમાને ચોક્કસ વિદ્યુત પ્રતિકાર p ના ખૂબ જ નાના મૂલ્ય સુધી પહોંચી શકે છે, જે સામાન્ય તાપમાને વિદ્યુત પ્રતિકાર કરતા સેંકડો અને હજારો ગણું ઓછું હોય છે. આ ગુણધર્મો ધરાવતી સામગ્રીને ક્રાયોકન્ડક્ટર (હાયપરકન્ડક્ટર) કહેવામાં આવે છે.

ભૌતિક રીતે, ક્રાયોકન્ડક્ટિવિટીની ઘટના સુપરકન્ડક્ટિવિટીની ઘટના જેવી નથી. ઓપરેટિંગ તાપમાને ક્રાયોકન્ડક્ટર્સમાં વર્તમાન ઘનતા સામાન્ય તાપમાનમાં તેમની વર્તમાન ઘનતા કરતાં હજારો ગણી વધારે છે, જે ઉચ્ચ-વર્તમાન વિદ્યુત ઉપકરણોમાં તેમના ઉપયોગને નિર્ધારિત કરે છે જે વિશ્વસનીયતા અને વિસ્ફોટ સલામતી માટે ઉચ્ચ આવશ્યકતાઓને આધિન છે.

ઇલેક્ટ્રિકલ મશીનો, કેબલ્સ વગેરેમાં ક્રાયોકન્ડક્ટરનો ઉપયોગ. સુપરકન્ડક્ટર પર નોંધપાત્ર ફાયદો છે.

જો સુપરકન્ડક્ટીંગ ઉપકરણોમાં પ્રવાહી હિલીયમનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, તો ક્રાયોકન્ડક્ટરનું સંચાલન ઉચ્ચ ઉત્કલન બિંદુ અને સસ્તા રેફ્રિજન્ટ - પ્રવાહી હાઇડ્રોજન અથવા તો પ્રવાહી નાઇટ્રોજનને કારણે સુનિશ્ચિત થાય છે. આ ઉપકરણના ઉત્પાદન અને સંચાલનની કિંમતને સરળ બનાવે છે અને ઘટાડે છે. જો કે, પ્રવાહી હાઇડ્રોજનનો ઉપયોગ કરતી વખતે, ઘટકોના ચોક્કસ ગુણોત્તરમાં, હવા સાથે વિસ્ફોટક મિશ્રણ બનાવતી વખતે ઊભી થતી તકનીકી મુશ્કેલીઓને ધ્યાનમાં લેવી જરૂરી છે.

જેમ કે ક્રાયોપ્રોસેસર્સ કોપર, એલ્યુમિનિયમ, સિલ્વર, ગોલ્ડનો ઉપયોગ કરે છે.

સ્ત્રોત માહિતી: "ઇલેક્ટ્રોમેટ્રીયલ્સ" ઝુરાવલેવા એલ. વી.