• بازدید : 64 views
  • بدون نظر
این فایل در ۶۰صفحه قابل ویرایش تهیه شده وشامل موارد زیر است:

براي توضيح بحث شبكه هاي توزيع مناسب است مختصرا مقدمه اي را بيان نماييم امروزه به علت بالا بودن مقدار انرژي الكتريكي مصرفي و فاصله توليد اين انرژي كه به دلايل متعدد( رعايت محيط زيست و وجود منبع كافي آب و نزديكتر بودن به جاده هاي بين المللي جهت حمل مواد سوختي و وجود زمين مناسب براي نصب تاسيسات سنگين نيروگاههاي حرارتي) در خارج از شهرها با فاصله اي نسبتا زياد ايجاد و الزاما از اين فاصله انتقال انرژي الكتريكي زياد به نقاط دور دست به خاطر مقاومت هاديها نياز به افزايش ولتاژ و سپس نزديك مصرف كننده ها به علت نياز به ولتاژ فشار ضعيف مجددا احتياج به كاهش ولتاژ مي‌باشد
لذا انتخاب ولتاژ و توزيع انتقال و توزيع متناسب با ميزان بار (انرژي) و فاصله ي انتقال اين انرژي تا محل مصرف انجام مي گيرد و طراحي پستهاي انتقال و توزيع و سپس ساخت و نصب و بهره برداري آغاز مي گردد.

۱- بحث پخش انرژي الكتريكي (توزيع) DISTRIBUTION و ارائه انواع شبكه هاي توزيع مطلب اين پروژه مي باشد.
براي پخش انرژي بطور كلي چهار گروه اصلي هادي توزيع انرژي مي شناسيم.
۱-۱) سيمهاي با روپوش عايقي كه تا ولتاژ ۱۰۰۰ ولت درجه عايقي آن مي باشد در ساختمانها بيشتر استفاده مي شود.
۲-۱) سيمهاي با روپوش عايقي براي ولتاژهاي تا ۱۰۰۰ ولت براي رساندن انرژي برق به مصرف كننده‌هاي متحرك و سيار استفاده مي گردد.
۳-۱) كابلهاي روپوش دار روغني و خشك با تحمل درجه عايقي براي ۱۰۰۰ تا ولتاژهاي بالاتر براي استقرار در زير زمين و كانالها يا زير آب براي هدايت انرژي فشار ضعيف تا فشار قوي.
۴-۱) هاديهاي بدون روپوش مسي و آلومينيومي باي انتقال يا توزيع انرژي فشار ضعيف ۳۸۰ ولت تا ولتاژهاي فشار قوي بالا تا ۷۵۰ كيلو ولت مي باشد.
لازم به ذكر است كه انتخاب هر يك از چهار گروه مذكور براي پخش يا انتقال انرژي بستگي به ميزان انرژي و فاصله محل توليد تا مصرف و ولتاژ انتخابي و شرايط محلي و نوع مصرف كننده مي باشد.
شبكه هاي با ولتاژ تا ۱۰۰۰ ولت را فشار ضعيف و از ۱۰۰۰ تا ۶۳ كيلو ولت را فشار متوسط و بالاتر را فشار قوي مي نامند.

۲- ساختمان و كاربرد هاديهاي جريان
بديهي است كه براي هدايت انرژي در شبكه هاي توزيع و انتقال نياز به استفاده از هاديهايي از نوع مس يا آلومينيوم خواهد بود.
اين هاديها داراي مشخصه استقامت مكانيكي – مقاومت مخصوص و مقاطع مختلف مي باشد.
لذا براي انتخاب جنس هادي بايد به نوع خط و شرايط محيطي كه بر روي خط تاثير خواهد گذاشت توجه داشته و به مهمترين خصائص هادي كه هدايت الكتريكي – مقاومت  مكانيكي- استقامت شيميايي – وزن هادي و مقطع هادي دقت نمائيم.

۳- عايق هاي بكار رفته در پوشش عايقي كابل و ساختمان آنها
براي پوشش عايقي سيمهاي برق غالبا از موادي بنام پلاستيك يا لاستيك و مشتقات آنها در لايه هاي متعدد متناسب با نياز استفاده مي گردد.
در شبكه‌هاي فشار ضعيف بيشتر از كابل (POLIVINIL CHOLORID) PVC
پلي ونييل كلريد و در مواردي كه به نرمش بيشتري نياز باشد از كابلهاي با پوشش لاستيكي استفاده 
مي شود.

۴- ساختمان سيمهاي داراي پوشش عايقي 
براي سيمهاي با پوشش عايقي كه مناسب نصب روي ديوارها مي باشد و حداكثر تا مقطع ۱۶ ميليمتر تك رشته براي سيمهاي با پوشش عايقي كه مناسب نصب روي ديوارها  مي باشد و حداكثر تا مقطع ۱۶ ميليمتر تك رشته بيشتر ساخته نمي شود و براي مقاطع بالاتر از چند سيمه استفاده مي گردد با علامت مشخصه F نمايش داده مي شوند و براي حمل انرژي به دستگاه هاي متحرك بيشتر از سيمهاي افشان روپوش دار استفاده مي گردد.

۵- كابلها
در ساختمان كابلها معمولا تا مقطع ۱۶ ميليمتر مربع از تك مفتولي و براي مقاطع بالاتر از چند مفتول (چند سيمه) استفاده مي گردد.
در بين سيمهاي عايق دار و كابلهاي با پوشش پلاستيكي بيشتر عايقهاي آنها بر مبناي PVC مي باشند لازم به توضيح است كه عايق PVC در حالت خالص براي عايق بندي اصلا مناسب نبوده و در حرارتهاي معمولي در موقع هدايت انرژي خشك و حالت نرمش خود را از دست مي دهد. و با اضافه نمودن مواد آلي به اين عايق مانند PROTODUR پروتودور عايق مناسب و خوبي بدست مي آيد.
الف) كابلهاي پلي اتيلن POLYATHYLEN (PET)
اين نوع كابل در فشار ضعيف موارد استفده بسياردارد و از لحاظ عايقي داراي خواص خوبي مي باشد. همچنين علاوه بر كابلهاي لاستيكي از ساير عايقها مانند كائوچوي مصنوعي و ساير عايقهاي صنعتي ديگر استفاده مي گردد.
ب) طرز كار و ساختمان محل اتصال كابل و قطعه اتصالي
در يك شبكه توزيع يا انتقال انرژي به منظور امكان ارتباطات بين تاسيسات توليد و تبديل و انتقال و توزيع انرژي به يكديگر از لوازمي به نام اتصالات كه در شبكه هاي كابلي سركابل و مفصل و در هوايي كلمپها و كنكتور معروفند.
بسته به اين تاسيسات در فضاي باز يا بسته و كابلها روغني يا خشك باشند قطعه ارتباطي متفاوت و همچنين در صورت اين كه سيم تك رشته يا چند غلافه باشد نوع آن فرق خواهد داشت.
ساختمان قطعه رابط اتصال كابل با ترانس يا كابل با كابل تابعي است از ولتاژ الكتريكي و نوع كابلها كه مي بايست به يكديگر متصل گردند.

۶- پايه هاي خطوط برق
انتقال يا توزيع انرژي از يك پست ترانسفورماتور تا مصرف كننده ها به علت مسائل اقتصادي و سهولت بهره برداري و رفع عيب تا جاهايي كه مسير باسد بهتر است به طريق هوايي انجام پذيرد. براي استقرار هاديها نياز به نصب پايه هايي با اشكال نمونه زير با مصالح متفاوت مانند چوب ساده – چوب اشباع از مواد كروزوت – تير سيماني – برجهاي فلزي مشبك – پايه هاي فايبر گلاس پايه هاي فلزي استوانه اي يا شش ضلعي و غيرو ساخته مي شود.

۲-۱- شرايطي كه در هر شبكه توزيع مي بايد مورد توجه قرار گيرد عبارتند از :
۱٫شرط اول جهت تامين انرژي الكتريكي مورد نياز مشتركين اين است كه شركتهاي برق موظفند به طور دائم در طول شبانه روز آن مقدار قدرتي كه مشترك درخواست نموده و مومرد توافق قرار گرفته در اختيارش قرار دهند بنابراين در انتخاب ميزان قدرت و نوع شبكه و سيم كشي و اجراي عمليات آن بايستي دقت زيادي شود.
۲٫ شرط دوم جهت تامين انرژي مصرف كننده ها اين است كه وضعيت شبكه ها بايد طوري باشد تا در مواقع خرابي يك قسمت از شبكه در تغذيه مصرف كننده ها وقفه اي حاصل نشود.
۳٫ عيب يابي سريع ناشي از عايق بندي (ايزولاسيون) شرط سومي مي باشد كه در توزيع انرژي الكتريكي بايستي مورد نظر باشد. شبكه ها بايد طوري باشند كه بتوان معايب ناشي از عايق بندي و پاره گي خطوط و ساير معايب را فوري و به طور مطمئن پيدا كرده و به سرعت آنها را بر طرف نمود.
۴٫ با برقراري شرايط بالا، چهارمين شرط انتخاب شبكه ها، شبكه ايست كه مناسبترين و ارزانترين روش توزيع انرژي را در بر داشته باشد.
عدم رعايت موارد فوق سبب مي شود كه اشكالات زيادي در شبكه هاي توزيع بوجود آيد، از افت ولتاژهاي فوق العاده زيادتر از حد مجاز گرفته تا تلفات زياد انرژي و از اضافه بار روي ترانسفورماتورها گرفته تا خاموشيهاي طولاني در سطوح وسيع.
يكي از مزيتهاي انرژي الكتريكي بر ساير انرژي ها سادگي قابليت انتقال و توزيع آن براي مسافتهاي طولاني مي باشد. تحقق بخشيدن به چنين امري نياز به وسايلي دارد تا به كمك آنها بتوان انرژي الكتريكي را از يك محل به محل ديگر انتقال دارد و يا در يك حوزه وسيع توزيع نمود. بدون آنكه هيچگونه خطري شبكه و عوامل جانبي آن را تهديد نمايد. وسائلي كه مي توان جهت امر فوق از آنها استفاده نمود دو نوع هستند:
۱٫ سيم هاي هوايي با متعلقات مربوطه
۲٫ كابلهاي زميني با متعلقات مربوطه.
انتخاب يكي از دو وسيله فوق به عوامل متعدد بستگي دارد كه پس از جمع بندي آن عوامل يكي از دو وسيله فوق جهت انتقال و توزيع انتخاب مي شود. تعدادي از اين عوامل عبارتند از:
۱)مسير خط انتقال(توزيع)
الف- طول مسير : اگر فاصله از پست (يا مركز توليد) تا محل مصرف كم باشد كابلهاي زميني به سيم كشي هوايي ارجحيت دارد مخصوصا در مواردي كه اين طول كم با پيچ و خم هاي متوالي همراه باشد. ولي اگر فاصله زياد باشد و مخصوصا فشار الكتريكي شبكه هم قوي باشد. از سيم كشي هوايي استفاده مي شود.
ب-  نوع مسير : در بعضي از نقاط اجبارا از شبكه زميني استفاده مي شود. مانند حريم باند فرودگاه در بعضي از نقاط ديگر اجبارا از شبكه هوايي استفاده مي شود مانند حريم عرضي راه آهن.
ج- محدوديت عرضي مسير: 
در بسياري از موارد به علت كم بودن عرض مسير و در نتيجه به علت عدم تامين حريم خوطوط هوايي كابل كشي زميني جايگزين سيم كشي هوايي خواهد شد. مخصوصا در مورد خطوط  400 ولت و ۲۰ كيلو ولت در داخل شهرها و در داخل مجتمع هاي صنعتي زياد به چشم مي خورد.
۲) ولتاژ خط انتقال
هر اندازه كه ولتاژ خطوط انتقال (يا خطوط ارتباطي پستهاي برقي) قوي تر باشد سيم كشي هوايي به كابل كشي زميني ارجعيت مي يابد، عموما شبكه هاي فشار ضعيف را (با توجه به ساير عوامل) از كابلهاي زميتي مي سازند، در شبكه هاي ۲۰كيلو ولت  نيز با توجه هب ساير عوامل كابل كشي زميني به چشم مي‌خورد ولي براي خطوط ۶۳ كيلوولتي به بالا كابل كشي زميني اصولي نمي باشد.
۳) تراكم جمعيت 
اگر در محل توزيع و مصرف تراكم جمعيت زياد باشد و بار در كيلومتر مربع از ۱۰۰۰ كيلو وات به بالا باشد كابل كشي زميني به سيم كشي هوايي برتري دارد. البته در مورد خيابانهايي كه ساختمانهايشان بهم چسبيده و از دو طبقه به بالا هستند در هر صورت بايد شبكه هاي از طريق كابل كشي زميني مورد اجراء و بهره برداري قرار گيرند.
۴) عامل اقتصادي 
اگر طراحي مقبول و مناسب باشد كه هم به لحاظ فني از شرايط نسبتا خوبي برخوردار باشد و هم به لحاظ اقتصادي به بودجه و تامين اعتبار كمتري نيازمند است. در اين گونه مورد سيم هوايي به كابل زميني برتري دارد. مخصوصا هر اندازه ولتاژ خط انرژي قويتر باشد اين افزايش قيمت چشمگير تر است، حدودا مي توان گفت كه در شبكه هاي فشار ضعيف ۳۰۰ ولت هزينه شبكه زميني دو برابر هزينه شبكه هوايي مي‌شود ولي اين نسبت افزايش در شبكه هاي ۶۳كيلو ولت  و ۲۳۰كيلو ولت  به ترتيب ۷ و ۱۱ برابر مي‌شود.
  • بازدید : 42 views
  • بدون نظر
این فایل در ۲۲صفحه قابل ویرایش تهیه شده وشامل موارد زیر است:

ميدانيم كه هر ماده از تعداد بسيار اتم تشكيل شده است كه هر اتم نيز از سه قسمت ۱-نوترون ۲- پروتن ۳-الكترون تشكليل شده است تعداد الكترونها با تعداد پروتنها در حالت عادي (خنثي) برابر است الكترون داراي بار منفي و پروتن داراي بار مثبت ميباشند كه الكترونها به دور(( پروتن و نوترون )) (هسته اتم) با سرعت بسيار زيادي ميچرخند در اثر اين چرخش نيروي گريز از مركزي بوجود مي آيد كه مقدار اين نيرو با مقدار نيروي جاذبه بين الكترونها و هسته برابر است پس اين برابري نيرو الكترونها را در حالت تعادل نگه ميدارد و نميگذارد كه از هسته دور شوند . 
يك سيم مسي هم داراي تعداد زيادي اتم و در نتيجه الكترون است هر گاه ما بتوانيم توسط يك نيرويي الكترونهاي در حال چرخش به دور هسته را از مدار خود خارج كنيم و در يك جهت معين به حركت در آوريم جريان الكتريكي برقرار ميشود. 

پس اين نكته را دريافتيم كه جريان برق چيزي جز حركت الكترونها نيست البته اين حركت بصورت انتقالي انجام ميشود يعني يك اتم تعدادي الكترون به اتم كناري خود ميدهد و اتم كناري نيز به همين ترتيب تعدادي الكترون به اتم بعدي ميدهد و بدين صورت جريان برقرار ميشود. پس هر گاه كه ميگوئيم جريان برق كم يا زياد است يعني تعداد الكترونهايي كه در مسير سيم در حال حركت هستند كم يا زياد است . 

نيروهايي كه باعث جدا شدن الكترون از هسته ميشوند: 

۱- نيروي مغناطيسي خارجي 

هرگاه يك سيم را در يك ميدان مغناطيسي حركت دهيم نيروي اين ميدان باعث حركت الكترونهاي سيم ميشود . 

۲- ضربه 

فرض كنيد يك اتوبوس كنار خيابان ايستاده و تمام مسافران آن محكم روي صندليها نشستند بعد يك اتومبيل ديگر با سرعت زياد به جلوي اين اتوبوس برخورد ميكند حال اتوبوس با سرعت به عقب پرتاب ميشود و مسافران كه در آنها اينرسي سكون ذخيره شده تمايل دارند كه به همان حالت سكون باقي بمانند در نتيجه اتوبوس به عقب رفته ولي مسافران در همان نقطه مكاني باقي ميمانند در نتيجه مسافران از صندليهاي خود جدا شده و از شيشه اتوبوس به بيرون پرتاب ميشوند پس اين نيروي ضربه بود كه مسافران را از اتوبوس جدا كرد به همين صورت نيز ضربه ميتواند الكترونها را از مدار خود خارج كند. نمونه اين توليد برق در فندكها. 

۳- انرژي خورشيدي 

انرژي خورشيدي نيز داراي نيرويي است كه قادر است الكترونها را از مدار خود جدا كند. 

۴-حرارت و … 

ميدانيم كه حرارت باعث ميشود كه جنبش ملكولي اجسام زياد شود در اثر اين جنبش تعداد زيادي ملكول به شدت با هم برخورد ميكنند كه همان نيروي ضربه را بوجود مي آوردند و باعث جدا شدن الكترون از اتم ميشوند . 

نكته : يك سيم مانند دالاني ميماند كه در يك دوره زماني مشخص تعداد معيني از افراد ميتوانند از آن عبور كنند يعني براي اينكه در دوره زماني مشخص مثلا در ۱ دقيقه افراد بيشتري بتوانند از اين دالان عبور كنند بايد سرعت حركت آنها بيشتر شود در نتيجه در اثر برخورد با هم و با ديواره دالان باعث ايجاد اصطكاك و گرما ميشوند براي سيم نيز چنين اتفاقي مي افتد يعني اگر بخواهيم تعداد الكترونهاي در حال حركت را افزايش دهيم (جريان را افزايش دهيم ) سرعت حركت الكترونها و نيز تعداد الكترونهايي كه همراه با هم از مقطع سيم عبور ميكنند افزايش مي يابد در نتيجه اصطكاك افزايش يافته و توليد گرما ميكند كه اگر جريان بيش از حد مجاز خود از سيم عبور كند گرماي توليد شده باعث ذوب شدن سيم ميشود (سيم ميسوزد). 

برداشت كلي از اين قسمت : حركت الكترونها در يك هادي (سيم) را جريان الكتريكي گويند . 

تا اينجا معني جريان را فهميديم اما در مورد ولتاژ چه بايد گفت ؟ 

آيا يك منبع كه ولتاژش بيشتر باشد برق بيشتري توليد ميكند يا منبعي كه جريانش بيشتر باشد ؟ 

هر گاه يك اتم الكترنهايش را از دست دهد بار منفي آن كم ميشود و اصطلاحاً ميگوئيم بار دار مثبت شده است ميدانيم كه بين بار مثبت و منفي نيروي جاذبه وجود دارد و نيروي جاذبه يك عدد الكترون با نيروي جاذبه يك عدد پروتن برابر است به همين جهت است كه در اتم هر پروتن براي خود يك الكترون اختيار ميكند تا اينكه بار الكتريكي اتم خنثي شود در حالت عادي تمام اتمهاي يك سيم از نظر بار الكتريكي خنثي هستند وقتي ما توسط نيروي خارجي الكترونهاي اتمهاي سيم را جدا ميكنيم و آنها را به يك سمت هدايت ميكنيم آن طرف سيم كه الكترونها به آنجا هدايت شده اند داراي زيادي الكترون است پس بارش منفي ميشود و طرف ديگر كه كمبود الكترون دارد بارش مثبت ميشود در نتيجه بين دوسر سيم يك اختلاف بوجود مي آيد اين اختلاف بصورت انرژي پتانسيل در دو سر سيم ذخيره ميشود تا زمانيكه راهي براي خنثي شدنش پيدا كند پس در اين حالت هيچ گونه جرياني در سيم و جود ندارد و فقط يك انرژي پتانسيل دو سر سيم ذخيره شده است كه به اين نيروي پتانسيل ولتاژ الكتريكي گوييم حال چنانچه نيروي خارجي را قطع كنيم الكترونها به سرعت به جاي قبلي خود برميگردند و در يك لحظه چريان برقرار ميشود پس متوجه شديم تا زمانيكه نيروي خارجي وجود دارد نميگذارد كه الكترونها از مسير همان سيم به جاي خود برگردند پس بايد راه ديگري پيدا كنند براي همين اگر توسط يك سيم ديگر كه ميدان خارجي آن را تحت تاثير خود قرار نداده باشد دو سر سيم قبلي را به هم وصل كنيم الكترونها راهي براي حركت به سمت مكان كمبود الكترون پيدا ميكنند در نتيجه جريان در سيم برقرار ميشود . 

پس نتيجه گرفتيم كه در يك مدار الكتريكي كار اصلي را جريان انجام ميدهد و ولتاژ فقط يك نيروي ذخيره شده است كه باعث به حركت در آوردن الكترونها ميشود . 

حال براي اينكه بهتر متوجه شويد كه ولتاژ چگونه باعث به حركت در آوردن الكترونها (برقراري جريان ) ميشود يك مثال ميزنيم . 

فرض كنيد دو ليوان داريم كه يكي پر و ديگري نصفه است ليوانها را در كنار هم قرار ميدهيم ميدانيم كه بين اين دوليوان اختلاف مقدار آب وجود دارد همانگونه كه بين دو سر سيم اختلاف مقدار الكترون وجود داشت اگر اين ليوانها چندين ساعت هم در كنار هم قرار بگيرند هيچ اتفاقي نمي افتد اما چنانچه توسط يك لوله ته دو ليوان را به هم وصل كنيم آب از طرف ليوان پر تر به سمت ليوان نصفه حركت ميكند تا زمانيكه سطح آب درون دو ليوان به يك اندازه شود . پس در اينجا اختلاف آب است كه باعث حركت ميشود و در آنجا اختلاف الكترون (اختلاف پتانسيل) كه اين اختلاف پتانسيل خود داراي مقدار است كه به آن مقدار ولتاژ ميگوئيم . 
منبع :s-ta-p.persianblog.com

قانون بقاي بار الكتريكي 
يك توپ را با ميله پلاستيكي و ديگر را ميله شيشه‌اي باردار كنيد سپس آنها را به هم بچسبانيد. گاهي دوبار ناپديد مي‌شوند و همديگر را از بين مي‌برند. براي بيان اين مساله مي‌توان از يك قانون رياضي مبني بر اينكه اگر حاصل جمع دو كميت صفر شود، يكي از آن دو مثبت و ديگري منفي است، استفاده نمود. طبق قرارداد به ميله پلاستيكي را بار منفي و ميله شيشه‌اي را بار مثبت نسبت داده‌اند. 

بيان ساده اي از قانون بقاي بار 

وقتي كه يك ميله پلاستيكي را با خز مالش مي‌دهيم، ميله بار منفي و خز بار مثبت پيدا مي‌كند. آزمايش را با دو جسم خنثي شروع مي‌كنيم، يعني مجموع بار آن دو برابر صفر است. بعد از مالش دادن ، يكي بار مثبت و ديگري بار منفي مي‌يابد كه باز هم بار كل برابر صفر مي‌شود. همچنين وقتي ميله‌اي بار مثبت بيابد، بار جسم پلاستيكي كه ميله شيشه‌اي را با آن مالش مي‌دهيم منفي مي‌شود. 

هيچ كس نمي تواند يكي از اين دو بار را خلق كند، بدون آنكه همزمان ديگري را نيز توليد كرده باشد در يك چنين فرايندي مقدار كل بار تغيير نمي‌كند. اين مطلب بيانگر قانون بقاي بار الكتريكي است. اين قانون همانند قوانين پايستگي جرم و انرژي ، اندازه حركت خطي ، اندازه حركت زاويه اي و … در فيزيك يك قانون بنيادي است. 

قانون بقاي بار الكتريكي در اتم 

همه اجسام داراي ذراتي با بار الكتريكي مثبت و منفي هستند. اين ذرات هماناتمهايي هستند كه جهان مادي را مي‌سازند. ابعاد اين اتمها از مرتبه آنگستروم است. چندين ميليون از اين اتمها ، در كنار هم ، چيزي در حدود يك نقطه نمايان مي‌شوند. هر اتم از لحاظ بار الكتريكي خنثي است، زيرا به تعداد مساوي بار مثبت و منفي دارد. بار مثبت اتم و تقريبا تمامي جرم آن ، در مركز آن ، يعني در هسته متمركز شده است. ابعاد هسته ده هزار برابر كوچكتر از ابعاد كل اتم است. هسته يك خوشه محكم به هم چسبيده متشكل از دو نوع ذره پروتونها و نوترونهاست. 

تراكم جرم در اين ذرات غير قابل تصور است. يك تفاوت مهم بين پروتونها و نوترونها اين است كه پروتونها داراي بار الكتريكي مثبت بوده ولي نوترونها از نظر بار الكتريكي خنثي هستند. تعداد پروتونها هسته ، عنصر شيميايي را كه هسته به آن تعلق دارد، مشخص مي‌كند، با اين حال قسمت اعظم فضاي اتم خالي است، در ناحيه اطراف هسته تعدادي ذره با بار الكتريكي منفي به نام الكترون وجود دارد. جرم الكترون كم است، اما بار آن منفي و مقدارش برابر مقدار بار روي پروتون است. از اينرو در يك اتم خنثي تعداد الكترونها در فضاي اطراف هسته درست برابر تعداد پروتونها در داخل هسته است. الكترونها توسط نيروي جاذبه الكتريكي در نزديكي هسته به آن مقيد مي‌شوند. 

مبادله بار و قانون بقاي بار الكتريكي 

گاهي يك تماس ساده ميان اجسام ممكن است باعث شود كه تعدادي الكترون از يك جسم به جسم ديگر منتقل شود. وقتي ميله پلاستيكي با خز مالش داده مي‌شود، برخي الكترونها از خز به ميله پلاستيكي منتقل مي‌شوند. ممكن است تعداد الكترونهايي كه به ميله پلاستيكي منتقل مي‌شوند، در حدود 
( ۹ ^ ۱۰ ) باشد كه ظاهرا زياد است. تعداد كل الكترونهاي موجود در ميله پلاستيكي در حدود ۲۴ ^ ۱۰ است. 

در فلزات بستگي الكترونها به هسته ضعيف است و الكترونها مي‌توانند آزادانه در داخل ماده حركت كنند. چون بار به راحتي در داخل ميله فلزي به هم وصل نماييم، هر دو كره خنثي مي‌شوند. ماده اي كه بار الكتريكي را از خود عبور مي‌دهد رسانا ناميده مي‌شود. در جامدات ، فقط الكترونها مي‌توانند حركت كنند. اما محلول الكتروليت ، آب شور يا گاز داخل لامپ فلوئورسانس رساناهاي بسيار خوبي هستند. زيرا حاملين بار مثبت و منفي هردو تحت تاثير نيروي الكتريكي مي‌توانند آزادانه حركت كنند. در تمام فرايندهاي مبادله بار و انتقالات اخير قانون بقاي بار الكتركي به دقت ملاحظه مي‌شود. به عبارتي نحوه مبادله بار به توسط قانون بقاي بار صورت مي‌گيرد. در واكنشهاي شيميايي اين قانون همانند قانون بقاي جرم ظاهر مي شود و واكنش را از نظر الكتريكي مجاز مي داند كه در طرفين واكنش مجموع بارهاي الكتريكي برابر باشند. 
ابررسانايي چيست ؟ 
از كشف ابررسانايي در سال ۱۹۱۱ ميلادي تا سال ۱۹۸۶ ، باور عموم بر آن بود كه ابررسانايي فقط مي تواند در فلزاتي در دماهاي بسيار پايين وجود داشته باشد، كه فقط در دماهاي حداكثر ۲۵ درجه بالاي صفر مطلق اتفاق مي افتاد. با كشف ابررسانايي در دماهاي بالاتر در سال ۱۹۸۶ ، در موادي كه تقريبا ضد فرو مغناطيسي بودند، و در هواپيماهاي شامل a nearly square array of اتم هاي مس و اكسيژن، فصل جديدي در علم فيزيك باز كرد. حقيقتا، درك ظاهر شدن ابررسانايي در دماهاي بالا (حداكثر دماي ۱۶۰ كلوين) يك مساله ي بزرگ براي بحث كردن مي باشد. تا آن جا كه امروزه بيش از ده هزار محقق روي اين موضوع تحقيق و بررسي انجام مي دهند. 

پس از مقدمه اي بر مفاهيم پايه ي فلزات معمولي و مرسوم، دماي پايين، و ابررسانايي، مروري بر نتايج مشاهدات انجام شده در دهه ي گذشته خواهم داشت ، كه نشان مي دهند ابررساناهاي دماي بالا فلزات عجيبي با خواص غيرعادي بسيار بالاي ابررسانايي مي باشند. سپس، پيشرفت هاي نظري اخيري را شرح خواهم داد كه طبيعت چنين فلزات عجيب را آشكار مي سازد، و به شدت اين پيشنهاد را كه “تعامل مغناطيسي بين تحريكات ذره ي quasi مسطح است كه رفتار حالت عادي آن ها را به هم مي زند و باعث روي دادن حالت ابررسانايي در دماهاي بالا مي شود” پشتيباني و تاييد مي كنند. 

مقدمه : 

در سال ۱۹۱۱ ، H. Kamerlingh-Onnes هنگام كار كردن در آزمايشگاه دماي پايين خود كشف كرد كه در دماي چند درجه بالاي صفر مطلق، جريان الكتريسيته مي تواند بدون هيچ اتلاف اختلاف پتانسيل در فلز جيوه جريان پيدا كند. او اين واقعه ي منحصر به فرد را “ابررسانايي” (Superconductivity) ناميد. هيچ نظريه اي براي توضيح اين رخداد در طول پنجاه و شش سال بعد از كشف ارائه نگرديد. تا وقتي كه در ۱۹۵۷ ، در دانشگاه الينويس ، سه فيزيكدان : John Bardeen ، Leon Cooper ، و Robert Schrieffer نظريه ي ميكروسكوپي خود ارائه كردن كه بعدا با نام تئوري BCS (حروف ابتدايي نام محققان ) شناخته شد. سومين رخداد مهم در تاريخ ابررسانايي در سال ۱۹۸۶ اتفاق افتاد، وقتي كه George Bednorz و Alex Mueller ، در حال كار كردن در آزمايشگاه IBM نزديك شهر زوريخ سوئيس، يك كشف مهم ديگر كردند : ابررسانايي در دماهاي بالاتر از دماهايي كه قبلا براي ابررسانايي شناخته شده بودند در فلزاتي كاملا متفاوت از آنچه قبلا فلز ابررسانا شناخته مي شود. اين كشف باعث ايجاد زمينه ي جديد ي در علم فيزيك شد : مطالعه ابررسانايي دماي بالا، يا . 

در اين مقاله، كه براي غير متخصص ها تنظيم گشته است، اين را كه ما چقدر در فهم دماي بالا پيشرفت كرده ايم را توضيح خواهم داد و درباره چشم انداز هاي آينده ي توسعه ي يك نظريه ي ميكروسكوپي بحث خواهم كرد. من با مروري بر برخي مفاهيم پايه ي نظريه ي فلزات شروع مي كنم؛ برخي اقدامات كه منجر به ارائه ي نظريه BCS گشت را توضيح مي دهم؛ و كمي در باره ي تئوري BCS بحث خواهم كرد و آن را توضيح خواهم داد. سپس مختصرا در باره ي پيشرفت هايي كه به فهم ما از ابررسانايي و ابرسيالي، در جهان ارائه شده است، بحث خواهم كرد، پيشرفت هايي كه بوسيله الهام از تئوري BCS بدست آمده اند. كه شامل كشف رده هاي زيادي از مواد ابرسيال مي باشد، از هليوم ۳ مايع كه چند ميلي درجه بالاتر از صفر مطلق به حالت ابرسيالي در مي آيد تا ماده ي نوترون موجود در پوسته ي سياره ي نوترون، كه در چند ميليون درجه به حالت ابرسيالي در مي آيد. سپس درباره ي تاثيرات كشف مواد ابررساناي دماي بالا بحث خواهم كرد ، و برخي نتايج تجربي كليدي را جمع بندي خواهم كرد. سپس يك مدل براي ابررسانايي دماي بالا ارائه خواهم داد ، نزديك به نظريه ي ضد فرومغناطيسي مايع فرمي ، كه به نظر داراي توانايي ارائه ي مقدار زيادي از خواص غيرعادي حالت معمولي مواد ابررساناي سطح بالا مي باشد. من با يك توضيح تجربي براي خواص جالب توجه حالت عادي ابررساناهاي پيش بيني شده و در دست بررسي جمع بندي و نتيجه گيري مي كنم، كه يك رده جالب از مواد را معرفي مي كند : مواد قابل تطبيق پيچيده . كه در آن بازخورد غيرخطي طبيعي، چه مثبت و چه منفي، نقشي حياتي در تعيين رفتار سيستم باز ي مي كنند. 

ابررساناهاي مرسوم : از كشف تا درك … 

در سخنراني نوبل خود در سال ۱۹۱۳ ، Kammerlingh-Onnes گزارش داد كه “جيوه در ۴٫۲ درجه كلوين به حالت جديدي وارد مي شود، حالتي كه با توجه به خواص الكتريكي آن، مي تواند ابررسانايي نام بگيرد. او گزارش داد كه اين حالت مي تواند به وسيله ي اعمال ميدان مغناطيسي به اندازه ي كافي بزرگي از بين برود. در حالي كه يك جريان القاء شده در يك حلقه بسته ابررسانا به مدت زمان فوق العاده زيادي باقي مي ماند و از بين نمي رود. او اين رخداد را به طور عملي با آغاز يك جريان ابررسانايي در يك سيم پيچ در آزمايشگاه ليدن، و سپس حمل سيم پيچ همراه با سرد كننده اي كه آن را سرد نگه مي داشت به دانشگاه كمبريج به عموم نشان داد. 

اين موضوع كه ابررسانايي مساله اي به اين مشكلي ارائه كرد كه ۴۶ سال طول كشيد تا حل شود، خيلي شگفت آور مي باشد. دليل اول اين مي تواند باشد كه جامعه ي فيزيك تا حدود بيست سال مباني علمي لازم براي ارائه ي راه حل براي اين مسئله را نداشت : تئوري كوانتوم فلزات معمولي. دوم اينكه، تا سال ۱۹۳۴ هيچ آزمايش اساسي در اين زمينه انجام نشد. سوم اينكه، وقتي مباني عملي لازم بدست آمد، به زودي واضح شد انرژي مشخصه وابسته به تشكيل ابررسانايي بسيار كوچك مي باشد، حدود يك ميليونيم انرژي الكترونيكي مشخصه ي حالت عادي. بنابراين، نظريه پردازان توجه شان را به توسعه ي يك تفسير رويدادي از جريان ابررسانايي جلب كردند. اين مسير را Fritz London رهبري مي كرد. كسي كه در سال ۱۹۵۳ به نكته ي زير اشاره كرد :‌ “ابررسانايي يك پديده كوانتومي در مقياس ماكروسكوپي مي باشد … با جداسازي حالت حداقل انرژي از حالات تحريك شده بوسيله ي وقفه هاي زماني.” و اينكه “diamagntesim يك مشخصه بنيادي مي باشد.” 

اجازه بدهيد كمي درباره ي مباني علمي كوانتومي بحث كنيم. الكترون ها در فلز در پتانسيل متناوب توليد شده از نوسان يون ها حول وضعيتشان حركت مي كنند. حركت يون ها را مي توان بوسيله ي مد هاي جمعي كوانتيزه شده ي آنها، فونون ها، توجيه كرد. سپس در طي توسعه ي نظريه ي كوانتوم، نظريه ي پاولي اصل انفجار وجود دارد ، كه معناي آن بيانگر مفهوم آن است و آن اينكه – الكترونها به صورت اسپين نيمه كامل ذاتي (half integral intrinsic spin) قرار مي گيرند، و در نتيجه هيچ الكتروني نمي تواند طوري قرار بگيرد كه عدد كوانتوم آنها با هم يكي باشد. ذراتي كه به صورت اسپين نيمه كامل ذاتي قرار مي گيرند با نام فرميون ها (fermions) شناخته مي شوند، به خاطر گراميداشت كار هاي فرمي (Fermi) كه ، همراه با دياك (Diac) ، نظريه ي آماري رفتار الكترون در دماهاي محدود را توسعه دادند، اين تئوري با نام Fermi-Diac statistics شناخته مي شود. در توضيح فضاي اندازه حركت يك فلز ساده، حالت پايه يك كره در فضاي اندازه ي حركت مي باشد، كه اندازه ي شعاع آن، pf بوسيله ي چگالي فلز تعيين مي گردد. انرژي خارجي ترين الكترون ها، در مقايسه با انرژي گرمايي ميانگين آن ها، Kt بسيار بزرگ مي باشد. به عنوان نتيجه، تنها بخش كوچكي از الكترون ها ، ، در بالاتر از حالت پايه تحريك مي شوند. الكترون ها با هم ديگر ( قانون كلمب ) و با فونون ها تعامل مي كنند و رابطه دارند. تحريكات ابتدائي آن ها ذرات quasi ، (quasiparticles) مي باشند ، الكترون ها با ضافه ي ابر الكتروني وابسته به آنها و فونون هايي كه هنگام حركت از ميان شبكه الكترون را همراهي مي كند. يك بحث و مذاكره ي ابتدائي نشان مي دهد كه طول عمر يك quasiparticle تحريك شده بالاي سطح فرمي ( سطح كره ي فرمي ) تقريبا برابر مي باشد. مساله و مشكلي كه براي نظريه پردازان در رابطه با اين مساله پيش آمده، فهم چگونگي تحمل پذيري الكترون ها ي تعامل كننده هنگام رفتن به حالت ابررسانايي ، مي باشد. اين امر چگونه انجام مي شود ؟ توضيح رياضي مناسب براي اين امر چه مي باشد ؟ 

يك كليد راهنماي بسيار لازم در سال ۱۹۵۰ ميلادي بدست آمد، وقتي محققان در Nationa Bearue of Standards و دانشگاه روتگرز كشف كردند كه دماي انتقال به حالت ابررسانايي سرب بستگي به جرم ايزوتوپ آن، يعني M ، دارد ، و رابطه ي عكس با M1/2 دارد. از آنجايي كه انرژي لرزشي شبكه اي همان بستگي را با M1/2 دارد، كوانتاي پايه ي آنها، فونون ها ، بايد نقشي در ظهور و ايجاد حالت ابررسانايي بازي كند. در سال هاي بعدي، Herber Frohlich ، كه از پوردو از دانشگاه ليورپول بازديد مي كرد، و John Bardeen كسي كه آن زمان در آزمايشگاه هاي بل كار مي كرد، تلاش كردند نظريه اي با استفاده از تعامل الكترون ها و فونون ها ارائه بدهند، ولي شكست خوردند و موفق نشدند. كار انجام شده توسط آن ها را مي توان به كمك دياگرام هاي معرفي شده توسط ريچارد فاينمن (Richar Feynman) به تصوير كشيد، كه در قسمت (a) تصوير زير نشان داده شده است. در تصوير زير مي توان يك الكترون را مشاهده كرد كه يك فونون را آزاد مي كند و سپس آن را جذب مي كند. خواص آن بوسيله جفت شدن پويا با شبكه تغيير مي يابند و تغيير در انرژي آن نسبت عكس با M1/2 دارد . اما اين quasiparticle ها به حالت ابررسانايي در نمي آيند. 

سپس Frohlich احتمال دوم را در نظر گرفت، حالتي كه در تصوير بالا قسمت (b) نشان داده شده است، كه در آن يك الكترون يك فونون را آزاد مي كند و الكترون دومي آن فونون را جذب مي كند. اين تعامل فونون القايي مي تواند براي الكترون ها ي نزديك سطح فرمي جذاب باشد. اين يك معادله فلزي waterbed مي باشد : دو شخص كه يك waterbed را به اشتراك مي گذارند، تمايل دارند تا به مركز آن جذب شوند، همان طوري كه روند القاء الكترون ها را جذب مي كند. (يك شخص تورفتگي را در waterbed القاء مي كند، تورفتگيي كه شخص دوم را جذب مي كند.) تعامل مطالعه شده توسط Frohlich در نگاه جذاب و زيبا به نظر مي رسد، كه هم جديد بود و هم ذاتا تناسب درستي با جرم ايزوتوپي، M ، داشت. اگر چه مشكلي بزرگ در درك چگونگي نقش بازي كردن آن وجود داشت، از آن جا كه تعامل پايه اي كلمب (Coulomb) بين الكترون ها دفع كننده مي باشد، و خيلي قوي تر مي باشد. همانطور كه لاندو (Laundau) قرار داد : “شما نمي توانيد قانون كولمب را لغو كنيد.” اين اشكالي بود كه John Bardeen و نويسنده ي اين مقاله، ديويد پاينس (David Pines) (هنگامي كه اولين دانشجوي دكترا در دانشگاه ايليونيس در سال هاي ۱۹۵۲-۱۹۵۵ بود) ، آن را مورد انتقاد قرار دادند. چيزي كه آن ها پيدا كردند، به وسيله ي توسعه ي يك راهبرد كه David Bohm و David Pines قبلا براي فهم تعامل هاي جفت الكترون ها در فلزات توسعه داده بودند، اين بود كه “پيام ، متوسط است .” (“The Medium is the message”) . وقتي آن ها اثر رويه ي به پرده در آوردن الكترونيكي (Electronic Screening) روي هر دو تعامل الكترون-الكترون و الكترون-آهن را در نظر گرفتند، فهميدند كه حضور جزء تشكيل دهنده ي دومي، يونها ، يك تعامل جذاب شبكه اي را بين يك جفت الكترون كه تفاوت انرژي آن ها از انرژي يك فونون بنيادين كمتر مي باشد، ممكن مي سازد . 

كه در آن ثابت دي الكتريك استاتيك وابسته به watervector مي باشد، انرژي فونون مي باشد، q انتقال اندازه ي حركت مي باشد، و تفاوت بين انرژي الكترون ها مي باشد. ترتيب ها آن به صورت جزئي تر توسط Leon Cooper مطالعه شده است . او فهميد كه به خاطر اين جذابيت شبكه اي، سطح فرمي حالت عادي مي تواند در دماهاي پائين به تشكيل جفت الكترون هايي با اسپين و اندازه حركت مخالف، بي ثبات شود. با كار او، راه حلي براي ابررسانايي نزديك بود. در سال ۱۹۵۷ ميلادي، هنگامي كه Bob Schrieffer ، كسي كه دانشجوي فارغ التحصيلي Bardeen در دانشگاه اليونيس بود، فهميد كه توضيح ميكروسكوپي داوطلب حالت ابررسانايي، مي تواند با به كار بردن راهبردي كه قبلا براي پلارن ها توسعه يافته بود، توسعه يابد. (به وسيله ي T.D. Lee ، Francis Low و David Pines ) به جفت هاي تعامل كننده ي كوپر. در هفته هاي بعدي، Bardeen ، Cooper ، و Schrieffer نظريه ي ميكروسكوپي ابررسانايي خود، تئوري BCS را ارائه دادند. كه اين تئوري در توضيح و تفسير رويداد ها ي ابررسانايي موجود و هم چنين در پيش گويي رويداد هاي جديد بسيار موفق بود. در جولاي ۱۹۵۹ ، در اولين كنفرانس عظيم در رابطه با ابررسانايي بعد از ارائه ي نظريه ي BCS ، (در دانشگاه كمبريج) ، David Schoenberg كنفرانس را با اين جمله آغاز كرد : “حالا ببينيم تا چه حدي مشاهدات با حقايق نظري جور در مي آيند …” 

عتیقه زیرخاکی گنج