അതിചാലകത
വിക്കിപീഡിയ, ഒരു സ്വതന്ത്ര വിജ്ഞാനകോശം.
ഒരു ചാലകത്തില് കൂടി വൈദ്യുതി കടത്തിവിടുമ്പോഴുണ്ടാകുന്ന പ്രതിരോധത്തെ അതിന്റെ ഏറ്റവും താഴ്ന്ന അവസ്ഥയിലേക്ക് കുറക്കുമ്പോഴുള്ള ചാലകത്തിന്റെ അവസ്ഥയെ ആണ് അതിചാലകത(Super conductivity) എന്നു പറയുന്നത്. ഇന്ന് ലോകത്ത് ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഊര്ജ്ജത്തിന്റെ നഷ്ടത്തില് പകുതിയും സംഭവിക്കുന്നത് പ്രസരണത്തിലാണ് (ഒരിടത്തു നിന്നും മറ്റൊരിടത്തേക്ക് കൊണ്ടു പോകുമ്പോള്). അതിചാലകതയെ ഉപയോഗപ്പെടുത്തുമ്പോള് ഈയൊരു നഷ്ടത്തെ ഒഴിവാക്കാനാകുമെന്നാണ് ഇന്നത്തെ ഗവേഷണഫലങ്ങള് സൂചിപ്പിക്കുന്നത്. അതിചാലകത എന്ന പ്രതിഭാസം കണ്ടു പിടിച്ചിട്ട് ഒരുനൂറ്റാണ്ടോളം ആയെങ്കിലും, അത് പ്രായോഗികമാക്കുവാനുള്ള ബുദ്ധിമുട്ടുകൊണ്ട് ഇന്നും പരീക്ഷണശാലകളില് തന്നെ ഒതുങ്ങി നില്ക്കുന്നു.
ഉള്ളടക്കം |
[തിരുത്തുക] ശാസ്ത്രീയത
വളരെ താഴ്ന്ന താപനിലയില് രസത്തിന്റെ വൈദ്യുതരോധത്തെക്കുറിച്ച് പഠിക്കുന്നതിനിടയില് ഡച്ച് ശാസ്ത്രജ്ഞനായ ഹൈക് കാമര്ലിന് ഔണ്സ് ആണ് അതിചാലകത ആദ്യം കണ്ടത്. 1933-ല് ഡബ്ല്യു. മെയ്സ്നര്, ആര്. ഓഷന് ഫെല്ഡ് എന്നീ ശാസ്ത്രജ്ഞര് ശക്തികുറഞ്ഞ കാന്തികമണ്ഡലത്തില് സ്ഥിതിചെയ്യുന്ന അതിചാലക വസ്തു കാന്തികമണ്ഡലത്തെ ഉള്ക്കൊള്ളുന്നില്ല എന്നു കണ്ടെത്തി. അതായത് അതിചാലക വസ്തുവിന്റെ ഉള്ളില് കാന്തികമണ്ഡലം ഉണ്ടായില്ല. ഈ രണ്ടു കണ്ടുപിടുത്തങ്ങളും വളരെ വലിയ സാധ്യതകളിലേക്കാണ് വഴിതുറന്നിരിക്കുന്നത്.
വൈദ്യുതി യഥേഷ്ടം കടന്നു പോകുന്ന വസ്തുക്കളെയാണ് നാം സുചാലകങ്ങള് എന്നു വിളിക്കുന്നത്. ഉദ:ഇരുമ്പ്,ചെമ്പ് മുതലായവ. പക്ഷേ ഈ ചാലകങ്ങളിലെല്ലാം തന്നെ വൈദ്യുതി കടന്നുപോകുന്നതിന് രോധം(Resistance) ഉണ്ട്. ഈ രോധം ഊഷ്മാവ് കുറയുന്നതിനനുസരിച്ച് ക്രമമായി കുറയും. അങ്ങനെ താപനില കുറഞ്ഞു കുറഞ്ഞ് കേവല പൂജ്യതിനടുത്തെത്തിയാല് രോധവും ഇല്ലാതാവും. രോധം പൂജ്യത്തോടടുക്കുമ്പോള് വൈദ്യുത വാഹന ക്ഷമത(electrical conductivity) സീമാതീതമായി വര്ദ്ധിക്കുന്നു. ഈ അസാധാരണമായ പ്രതിഭാസമാണ് അതിചാലകത.
വൈദ്യുത ചാലകങ്ങളിലൂടെ വൈദ്യുതി പ്രവഹിക്കാന് കാരണം അവയിലെ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളാണ്. ഊഷ്മാവ് കൂടുമ്പോള് ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ചലനത്തിന് തടസമുണ്ടാവുകയും വൈദ്യുത വാഹന സേഷി കുറയുകയും ചെയ്യുന്നു. ഊഷ്മാവ് കുറയുമ്പോള് രോധം കുറയുമെങ്കിലും അത് പൂര്ണമായി ഇല്ലതാകുന്നില്ല. പക്ഷേ ചില പ്രത്യേക വസ്തുക്കള്ക്ക് രോധം പൂര്ണമായും ഇല്ലാതാവും ഇവയാണ് അതിചാലകങ്ങള്. എല്ലാ ലോഹങ്ങളും അതിചാലകങ്ങളല്ല.
കാന്തികപ്ലവന തത്വമനുസരിച്ച് അവിശ്വസനീയമായ വേഗത്തില് ഭൂമിയുടെ കാന്തികമണ്ഡലം ഉപയോഗിച്ച് സഞ്ചരിക്കുന്ന വാഹനങ്ങള്, കൈവെള്ളയിലൊതുങ്ങുന്നതും ഇന്നുള്ളതിന്റെ ആയിരക്കണക്കിനിരട്ടി ശക്തിയും ബുദ്ധികൂര്മ്മതയും ഉള്ള കമ്പ്യൂട്ടറുകള്, അവിശ്വസനീയമായ കഴിവുകളുള്ള വൈദ്യുതോപകരണങ്ങള്, അണുസംയോജനം വഴി ഊര്ജ്ജം ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്ന അപകടകാരികളേ അല്ലാത്ത ആണവ ഊര്ജ്ജോത്പാദിനികള് തുടങ്ങി ലോകത്തിന്റെ മുഖഛായ തന്നെ മാറ്റാന് കഴിവുള്ള കണ്ടുപിടുത്തങ്ങളാണ് അതിചാലകതയെ അടിസ്ഥാനമാക്കി സങ്കല്പ്പിക്കപ്പെട്ടിട്ടുള്ളത്.
ചാലകങ്ങളിലുണ്ടാകുന്ന വൈദ്യുതരോധത്തിന്റെ പ്രധാനകാരണം വൈദ്യുതി ചാലന സമയത്ത് ചൂട് മൂലമുണ്ടാകുന്ന പ്രതിരോധമാണ്. താപനില സാധ്യമായിടത്തോളം താഴ്ത്തികൊണ്ടുവരികയാണ് അതിനുള്ള പ്രതിവിധി. അതായത് കേവലപൂജ്യം(0°കെല്വിന് അഥവാ -273° സെല്സീസ്) വരെ. ഈ താപനിലയില് ചാലകങ്ങളുടെ രോധം പൂര്ണ്ണമായി നഷ്ടമാകും, ഊര്ജ്ജം പൂര്ണ്ണമായും ചാലകങ്ങളിലൂടെ പ്രവഹിക്കും, എന്നാല് ഈ താപനില നിലനിര്ത്തികൊണ്ടുപോകാന് വളരെ ബുദ്ധിമുട്ടും പണച്ചിലവ് ഏറെയുമാണ്. ഏന്നാലിന്ന് പരീക്ഷണശാലക്ക് പുറത്ത് 4.2°കെല്വിന് താപനിലയില് വരെ അതിചാലകത സൃഷ്ടിക്കാന് കഴിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്.അതിനായി ഉപകരണങ്ങള് ചോര്ച്ചയില്ലാത്ത ദ്രവഹീലിയം(ഹീലിയം വാതകം ദ്രാവകാവസ്ഥ പ്രാപിക്കുന്ന താപനിലയാണ് 4.2°കെല്വിന്) നിറച്ച സംഭരണികളില് താഴ്ത്തിയിടേണ്ടതുണ്ട്. അതുകൊണ്ടൊക്കെ തന്നെ അതിചാലക ഉപയോഗിക്കുന്ന മേഖലകള് ഇന്നും ചുരുക്കമാണ്. അവ കാന്തികപ്ലവന രീതിയില് ചലിക്കുന്ന അതിവേഗ തീവണ്ടി(ജപ്പാന്), കാന്തിക അനുരണന ബിംബവത്കരണ(Magnetic resonance imaging) ഉപകരണങ്ങള്, അണുസംയോജന ഗവേഷണത്തിനുപയോഗിക്കുന്ന ഉപകരണങ്ങള് എന്നിവയിലൊക്കെ ഒതുങ്ങി.
[തിരുത്തുക] തുടക്കം
1908-ല് കാമര്ലിങ്ങ് ഓണ്സ്(Kamerlingh Onnes)ഹീലിയം എന്ന വാതകത്തെ ശീതീകരിച്ച് ദ്രവ രൂപത്തിലാക്കി. കേവല പൂജ്യത്തോടടുത്ത 4.2K ലാണ് ഇത് സാധിച്ചെടുത്തത്. ഇതെ തുടര്ന്ന് കാമര്ലിങ്ങ് ഓണ്സും സംഘവും താഴ്ന്ന താപനിലയില് വസ്തുക്കള്ക്കുണ്ടാവുന്ന മാറ്റങ്ങളെ കുറിച്ച് പഠിക്കുവാന് തുടങ്ങി. അപ്പോഴാണ് അവര് ഒരു കാര്യം കണ്ടെത്തിയത്. മെര്ക്കുറിയുടെ രോധം 4K ല് കുത്തനെ കുറഞ്ഞ് പൂജ്യമായിത്തീരുന്നു. അത്രയും നാള് വരെ പൂജ്യം കെല്വിനില് മാത്രമേ ഇത് സംഭവിക്കൂ എന്നായിരുന്നു വിശ്വാസം. ഒരു ചാലകം അതിചാലകമായിമാറുന്ന താപനിലയാണ് സംക്രമണ താപനില(transition temparature). ഓരോ പദാര്ഥത്തിനും സംക്രമണ താപനില വത്യസ്തമായിരിക്കും. ഈ കണ്ടെത്തലോടുകൂടി അതിചാലകത അന്തരിക്ഷ താപനിലയിലും കൊണ്ടുവരാം എന്ന വിശ്വാസം ശക്തമായി. ലോകത്തിന്റെ പല ഭാഗങ്ങളിലുള്ള ശാസ്ത്രന്ഞ്ജന്മാര് മറ്റുമേഖലകളെല്ലാം വിട്ടെറിഞ്ഞ് അതിചാലകതയിലേക്ക് തിരിഞ്ഞു.
[തിരുത്തുക] അതിചാലകതയുടെ കാരണം
അതിചാലകത കണ്ടെത്തിക്കഴിഞ്ഞ് ഏകദേശം 50 വര്ഷങ്ങള്ക്ക് ശേഷമാണ് അതിനൊരു സൈദ്ധാന്തിക വിശദീകരണം നല്കുന്നത്. അതിചാലകങ്ങളെ കുറിച്ച് ഗവേഷണം നടത്തിയ ചില ശസ്തഞ്ജരായിരുന്നു ജോണ് ബാര്ഡീന്(John Bardeen), ലിയോ കൂപ്പര്(Leo Cooper), ജോണ് ആര് ഷ്റൈഫര്(John R Schriffer) തുടങ്ങിയവര്.ഇവരുടെ ഗവേഷണ ഫലങ്ങളില് നിന്ന് ഉരുത്തിരിഞ്ഞു വന്ന സിദ്ധാന്തമാണ് ബി.സി.എസ് സിദ്ധാന്തം. മൂവരുടെയും പേരിന്റെ ആദ്യാക്ഷരങ്ങള് കൂട്ടിച്ചേര്ത്താണ് ഈ സിദ്ധാന്തത്തിന് പേരിട്ടിരിക്കുന്നത്. ഈ സിദ്ധാന്തത്തിനാണ് 1972 ലെ ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിനുള്ള നോബ്ബല് സമ്മാനം ലഭിച്ചത്.
[തിരുത്തുക] ബി.സി.എസ് സിദ്ധാന്തം
"പദാര്ഥത്തിന്റെ വൈദ്യുത ചാലകതയ്ക്ക് നിദാനമായ ഇലക്ട്രോണുകളും, ക്രിസ്റ്റല് ജാലികയുടെ കമ്പനങ്ങളും തമ്മിലുള്ള പ്രതിക്രിയയാണ് അതിചാലകതയ്ക്കാധാരം." എന്ന് ഈ സിദ്ധാന്തം പറയുന്നു.
ഒരു ചാലകത്തില് ധാരാളം സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകള് ഉണ്ട്. ചാലകം അതിചാലകം ആയി മാറുന്ന സമയത്ത് ഇതില് രണ്ടെണ്ണം ചേര്ന്ന് ഒരു ജോഡിയായി മാറുന്നു. ഇതിന് കൂപ്പര് പെയറുകള് എന്നു പറയുന്നു. ക്രിസ്റ്റല് നിരകളുടെ കമ്പനമാണ് ഇവയെ ഒന്നിച്ച് നിര്ത്തുന്നത്. വിപരീത ചാര്ജുള്ള ഇവയെ വേര്പെടുത്താന്കഴിയാത്തവിധം ഒന്നിച്ച് നില്ക്കുന്നതിനാല് ഇവയ്ക്ക് സുഗമമായി വൈദ്യുതിയെ കടത്തിവിടാനാകും. പരസ്പരം കൂട്ടിയിടിച്ചാല് പോലും ഇവ വേര്പെടുന്നില്ല അതിനാല് ഇലക്ട്രോണുകള്ക്കുണ്ടാവുന്ന സഞ്ചര തടസം പോലും ഇവയ്ക്കനുഭവപ്പെടുകയില്ല. ഇതാണ് അതിചാലകതയ്ക്ക് കാരണം.
[തിരുത്തുക] വെല്ലുവിളികളും പ്രതീക്ഷയും
1990-കളില് ശാസ്ത്രം 100°കെല്വിന് താപനില വരെ പ്രത്യേക മൂലക സംയുക്തങ്ങള് ഉപയോഗിച്ച് അതിചാലകത സൃഷ്ടിച്ചിട്ടുണ്ട്. ദ്രവഹീലിയത്തിനു പകരം ദ്രവപാക്യജനകം(liquid Nitrogen) ഉപയോഗിക്കാമെന്നും കണ്ടെത്തി. താഴ്ന്ന താപനിലയില് അതിചാലകസ്വഭാവം കാണിക്കുന്ന ഈയം, നാകം, രസം മുതലായ മൂലകങ്ങള് ഉയര്ന്ന കാന്തികമണ്ഡലം സൃഷ്ടിക്കാന് പാകത്തിലുള്ള വൈദ്യുതി കടത്തി വിടുമ്പോള് അതിചാലക സ്വഭാവം ഉപേക്ഷിക്കും എന്നാല് പുതിയ സംയുക്തങ്ങള് ആയ നിയോബിയം, ടൈറ്റാനിയം, എന്നിവയുടെ ഓക്സൈഡുകളുടെ സങ്കരങ്ങള്ക്ക് ഈ പ്രശ്നവുമില്ല. അപ്പോള് താപനില 32°കെല്വിന് വരെ സൂക്ഷിക്കണമായിരുന്നു, പിന്നീട് കാള് അലക്സ് മുള്ളര്, പോള്. ഡബ്ല്യു. ചു മുതലായവരുടെ ശ്രമഫലമായി ഉയര്ന്ന മര്ദ്ദത്തില് താപനില 52°കെല്വിന് വരെ ഉയര്ത്താം എന്നു കണ്ടെത്തി. എന്നാല് മര്ദ്ദം അന്തരീക്ഷമര്ദ്ദത്തിന്റെ ആയിരം ഇരട്ടി ആകുമ്പോള് സംയുകതങ്ങളുടെ തന്മാത്ര ഘടന നശിക്കുന്നതായി കണ്ടെത്തി. പിന്നീട് യിട്രിയം എന്ന മൂലകം അടങ്ങിയ സംയുക്തങ്ങള് ഉപയോഗിച്ചപ്പോള് താപനില 100°കെല്വിന് വരെ ആക്കാന് സാധിച്ചു. സാധാരണതാപനിലയില് അതിചാലകങ്ങളെ ഉണ്ടാക്കി എടുക്കുകയായിരിക്കും അന്തിമലക്ഷ്യം, ട്രാന്സിസ്റ്ററുകള് ലോകത്തെ മാറ്റിമറിച്ചതു പോലെ അതും ഒരു വഴിത്തിരിവായിരിക്കും. പരീക്ഷണശാലകളില് അത് സാധ്യമായെന്നും പറയപ്പെടുന്നു.
താപനില കുറയുമ്പോള് ഒരു ചാലകത്തിന്റെ വൈദ്യുത രോധം പൂജ്യത്തോടടുക്കും. ആ സമയം അവയുടെ ചാലകത് അസാധാരണമാം വിധം വര്ധിക്കും. ഈ പ്രതിഭാസമാണ് അതിചാലകത. 1911-ല് ഡച്ച് ഭൗതികശാസ്ത്രഞ്ജനായ കാമര്ലിങ്ങ് ഓണ്സ് ആണ് അതിചാലകത കണ്ടുപിടിച്ചത്. ആ സമയത്ത് വളരെയധികം താഴ്ന്ന താപനിലയില് മാത്രമേ അതിചാലകത സാധ്യമാകുമായിരുന്നുള്ളു എന്നാല് പിന്നീടുള്ള ഗവേഷണങ്ങള് ഒയര്ന്ന താപനിലയിലും അതിചാലകത സാധ്യമാക്കാം എന്ന് കണ്ടെത്തി. സാധാരണ അന്തരീക്ഷ താപനിലയിലുള്ള അതിചാലകത സാധ്യമായാല് ഭൗതിക ശസ്ത്രം കണ്ടിട്ടുള്ളതില് വച്ച് വലിയൊരു വിപ്ലവമായിമാറും അത്. കാരണം മനുഷ്യ സമൂഹത്തിന്റെ സമസ്ത മേഘലകളിലും സ്വാധീനംചെലുത്താന് ഇതിനു കഴിയും.
[തിരുത്തുക] അതിചാലകതയുടെ ഉപയോഗങ്ങള്
[തിരുത്തുക] ഊര്ജ സംരക്ഷണം
അതിചാലകതയുടെ ഏറ്റവും വലിയ ഒരു ഗുണമാണ് ഊര്ജ സംരക്ഷണം. ഇന്ന് പവര് സ്റ്റേഷനുകളില് നിന്ന് അയയ്ക്കുന്ന വൈദ്യുതി മുഴുവനൊന്നും നമുക്ക് വീടുകളില് കിട്ടുന്നില്ല. വൈദ്യുതി വഹിച്ചുകൊണ്ടു പോകുന്ന ചാലകങ്ങളുടെ രോധമാണ് ഇതിനുകാരണം. അന്തരീക്ഷ താപനിലയില് അതിചാലകങ്ങള് സാധ്യമായാല് അയയ്ക്കുന്ന മുഴുവന് വൈദ്യുതിയും നമുക്ക് ലഭിക്കും. ഇന്നത്തെ നമ്മുടെ ഊര്ജ ദൗര്ലഭ്യത്തിന് ഇത് വലിയൊരളവ് പരിഹാരമാവും.
[തിരുത്തുക] വൈദ്യുതകാന്തങ്ങള്
അതിചാലകങ്ങള് വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കാന് പോകുന്ന ഒരു മേഖലയാണ് വിദ്യുത്കാന്തങ്ങളുടെ നിര്മാണം. സാധാരണ ചാലകങ്ങളുടെ പരിമിതിയാണ് ഇതിനു കാരണം. സാധാരണ ചാലകങ്ങളുപയോഗിച്ച് ശക്തിയേറിയ കാന്തങ്ങള് നിര്മിച്ചാല് അവ ഉയര്ന്ന രോധം കാരണം കത്തിപ്പോകാന് സാധ്യതയുണ്ട്. എന്നാല് അതിചാലകങ്ങളില് രോധമില്ലാത്തതിനാല് ഇങ്ങനെ സംഭവിക്കുന്നില്ല. കൂടാതെ വേഗം കൂടിയ മാഗ്നെറ്റിക് തീവണ്ടികളില് ഇത് അനിവാര്യം കൂടിയാണ്. പക്ഷെ ഇന്നത്തെ അവസ്ഥയില് ഇത് പൂര്ണമായും സാധ്യമല്ല. കാരണം ചെമ്പുകമ്പികള് കണക്കെ യഥേഷ്ടം ചുരുളാക്കാന് പറ്റിയ അതിചാലകങ്ങള് ഇന്ന് കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ടിട്ടില്ല. ടിന്, നിയോബിയം, വനേഡിയം, ഗാലിയം എന്നീ മൂലകങ്ങള് ചേര്ന്ന കൂട്ടുലോഹങ്ങള് ആണ് ഇന്നു കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ട അതിചാലകങ്ങളില് വച്ച് അക്കാര്യത്തിനായി ഉപയോഗിക്കാന് പറ്റിയവ. മാത്രമല്ല ഇവ വളരെ താഴ്ന്ന താപനിലയില് നിലനിര്ത്തണം.
[തിരുത്തുക] എം.ആര്.ഐ സ്കാനിംഗ്
മനുഷ്യ ശരീരത്തിന്റെ ആന്തരിക ചിത്രങ്ങളെടുക്കാനുള്ള ഒരു സങ്കേതമാണ് മാഗ്നറ്റിക് റെസൊണന്സ് ഇമേജിംഗ്(Magnetic Resonance Imaging) അഥവാ എം.ആര്.ഐ.വളരെ ശക്തിയേറിയ കാന്തിക മണ്ഡലം ഉപയോഗിച്ചാണ് ഇത് സാധ്യമാക്കുന്നത്. ഇതില് ഉപയോഗിക്കുന്ന കാന്തിക ക്ഷേത്രത്തിന്റെ തീവ്രത ഏതാണ്ട് 3-4 ടെസ്ല(ഭൂകാന്തതയുടെ 100,000 ഇരട്ടിയോളം) വരും. അതിചാലക വൈദ്യുതവാഹി വളരെ കുറച്ച് ഊര്ജം മാത്രമേ നഷ്ടപ്പെടുത്തുന്നുള്ളു.
[തിരുത്തുക] അവലംബം
[തിരുത്തുക] മറ്റു ലിങ്കുകള്
- US, EREN: superconductivity
- superconductors.org
- Introduction to superconductivity
- Superconducting Niobium Cavities
- Superconductivity in everyday life : Interactive exhibition
- Video of the Meissner effect from the NJIT Mathclub
- Superconductor Week Newsletter - industry news, links, etc
- Superconducting Magnetic Levitation Video
- Superconductor Science and Technology
- Why does a levitated magnet start to rotate? (German)
- National Superconducting Cyclotron Laboratory at Michigan State University
- High Temperature Superconducting and Cryogenics in RF applications
 |
ഭൗതികശാസ്ത്രവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട ഈ ലേഖനം അപൂര്ണ്ണമാണ്. ഇതു വികസിപ്പിക്കുവാന് സഹായിക്കുക സഹായിക്കുക. |
