الیـــــــــــــــــــــران

الکترونیک و کامپیوتر (مهندسان جوان ایرانی)

الیـــــــــــــــــــــران

الکترونیک و کامپیوتر (مهندسان جوان ایرانی)

ترمیستور چیست؟

 نیم رساناهایی که به سبب ضریب مقاومت گرمایی زیادشان بکار می‌روند، به مقاومتهای حساس به دما یا ترمیستور thermistors که از عبارت temperature sensitive resistors گرفته شده ، معروف هستند.

 مقاومتهای حساس به دما در شاخه‌های مهندسی کاربردهای مهم و زیادی دارند: در کنترل خودکار ، فاصله سنجی و نیز در دماسنجهای خیلی دقیق و حساس بکار برده می‌شوند. دماسنجهای مقاومتی یا بارترها barertte دستگاهی است برای اندازه گیری چگالی شار تابشی که طرز کار آن بر پایه تغییر مقاومت الکتریکی پیل حساس نیم رسانایی در موقع گرم کردن آن استوار است)، را خیلی پیش در آزمایشگاهها بکار می‌بردند. ولی قبلا آنها را از فلز می‌ساختند که به سبب محدودیت گسترده کاربردشان ، مشکلات زیادی به بار می‌آوردند. برای اینکه مقاومت بارتر را در مقایسه با مقاومت سیمهای رابط بالا ببرند، ناچار بودند بارتر را از سیم نازک و دراز بسازند. به علاوه تغییر مقاومت فلزات با دما خیلی کم است و از این اندازه گیری دما به کمک بارتر فلزی به اندازه گیری خیلی دقیق مقاومت نیاز داشت. بارترهای نیم رسانایی (ترمیستورها) این معایب را ندارند. مقاومت ویژه الکتریکی آنها آنچنان بالاست که یک بارتر می‌تواند فقط چند میلیمتر طول داشته باشد. با چنین ابعاد کوچکی ، ترمیستور خیلی زود به دمای محیط بیرون می‌رسد. همین امر به آن امکان می‌دهد که دمای اشیای کوچک (مثلا برگ گیاهان یا ناحیه‌هایی روی پوست بدن) را اندازه بگیرد.

 ترمیستورهای مدرن (ترمیستورهای نیم رسانا)

حساسیت ترمیستورهای امروزی چنان بالاست که تغییری به اندازه یک میلیونیم کلوین را می‌توان به کمک آنها آشکار سازی و اندازه گیری کرد. این وضع عملی بودن کاربرد آنها را در دستگاههای جدید به جای پیلهای ترموالکتریک برای اندازه گیری شدت تابش خیلی ضعیف نشان می‌دهد. در ابتدا انرژی لازم برای آزاد شدن الکترون از حرکت گرمایی یعنی انرژی داخلی نیم رساناها ، تأمین می‌شد. ولی این انرژی را جسم می‌تواند در ضمن جذب انرژی نور به الکترون انتقال دهد. مقاومت چنین نیم رساناهایی بر اثر نور به مقدار زیادی کاهش می‌یابد. این پدیده را نور رسانش فوتو رسانش یا اثر فوتو الکتریکی ذاتی گویند. اصطلاح ذاتی در اینجا تأکید بر این واقعیت دارد که الکترونهای آزاد شده با نور ، مانند انتشار الکترون از فلز درخشانی که به “اثر فوتوالکتریک غیر ذاتی“ معروف است، مرزهای جسم را ترک نمی‌کنند. این الکترونها در جسم باقی می‌مانند و دقیقا رسانندگی آن را تغییر می‌دهند. دستگاههایی که بر پایه این پدیده ساخته می‌شوند را در مقیاس صنعتی برای دستگاههای اعلان و خودکار بکار می‌برند (مانند دزدگیر و ...). فقط بخش کوچکی از الکترونهای آزاد نیم رسانا در حالت آزادند و در جریان شرکت می‌کنند. اما درست این است که بگوییم همین الکترونها بطور دائم در حالت آزادند و دیگران در حالت مقید. بر عکس ، در نیم رساناها همزمان دو فرآیند رخ می‌دهد: از یک طرف با صرف انرژی داخلی یا انرژی نورانی فرآیند آزادسازی الکترونها اتفاق می‌افتد. از طرف دیگر ، فرآیند ربایش الکترونهای آزاد ، یعنی ترکیب مجدد آنها با بعضی از یونهای باقیمانده (یعنی ، اتمهایی که الکترونهایشان را از دست داده‌اند) مشاهده می‌شود. بطور متوسط ، هر الکترون آزاد شده فقط مدت کوتاهی (از 3-10 تا 8-10 ثانیه) آزاد می‌ماند. همواره الکترونهایی وجود دارد که پیوسته جایشان را با الکترونهای مقید عوض می‌کنند. تعادل بین الکترونهای آزاد و مقید از نوع تعادل دینامیکی است.

Converting Heat from Mobile Phones Back into Electricity

Silicon nanowires may lead the way to converting waste heat into electricity, according to research reported yesterday in the journal Nature. Two separate teams, one at Caltech and the other at the University of California, Berkeley, reported that they could increase silicon's ability to convert heat into electric current by as much as 100 times.

 


The difference in temperature between two sides of a chip [red is hot, blue is cold] cause electrons to flow in a roughened silicon nanowire


 

The application could take surplus heat generated within mobile phones during use, or even from the human body when in standby and convert it to electricity.

Thermoelectric conversion relies on a difference between hot and cold areas in a device. Heat flowing from the hot side to the cold side creates current, which can be captured and used to power a device or stored for subsequent use. Bulk silicon has traditionally been considered a poor material for thermoelectric conversion, because its thermal conductivity is too high; heat travels across it so well that it's difficult to create the necessary temperature differential.

"If you were going to make a high-performance thermoelectric, you would never use silicon, because as a bulk material it's pretty lousy," says James Heath, a chemist who led the research at Caltech. He was surprised by his own results; he expected some increase in efficiency, but not as much as he got.

 

Thermoelectric conversion efficiency is measured by a number dubbed ZT. Several factors go into that number, and it can be increased both by lowering the thermal conductivity of a material and by increasing its electrical conductivity. Whereas bulk silicon at room temperature has a ZT of 0.01, the Berkeley team increased that to 0.4, and the Caltech team increased it to 0.6. That puts silicon nanowires about on par with bismuth telluride, the compound from which commercial converters are made despite the fact that it is relatively expensive and challenging to work with. Making thermoelectric devices out of silicon, which is abundant, cheap, and easily handled, could help create a new market for the devices.

Both research teams found that they could decrease silicon's thermal conductivity - and therefore increase the conversion efficiency - by fashioning the material into nanowires with diameters of 10 to 100 nanometers and introducing defects in the silicon that slowed the flow of phonons - the acoustic vibrations in the crystal lattice of a material that carry heat.

"Defects are important here," says Peidong Yang, a materials scientist at Berkeley. "They can block the phonon transport from one end to the other end, so the thermal conductivity can be drastically reduced."

Yang says his group engineered defects into the nanowires at three different length scales. First, by fashioning the bulk silicon into nanowires, they made the material very small compared with the phonons so that the size of the wires themselves affected how the phonons could move. They also made the surface of the wires rough, introducing a set of defects at a smaller scale. Finally, they doped the silicon with boron to introduce defects at an atomic level.

Heath induced a greater drop in thermal conductivity by making his nanowires even smaller than Yang's - only 10 to 20 nm in diameter. Normally, a wire would carry two types of phonons, he explains: one that causes the wire's diameter to expand or contract, and one that causes it to lengthen or shorten. Like a rubber band that gets thinner when stretched, the two work in opposition. But when the nanowires get small enough, the two types merge into a single type of phonon, and that slows down the heat transport even more.

An array of nanowires [green] convert heat from the temperature difference between two slivers of a microchip. Current in flowing through a heater [red] causes the temperature difference

Unfortunately, when Heath made the wires 10 nm wide, which gave him the best results for thermal conductivity, the electrical conductivity crucial to thermoelectric conversion also dropped.

Mildred Dresselhaus, a physicist at MIT who had predicted that using nanowires would lead to better thermoelectric conversion, says she's pleased with Yang's and Heath's research. Their reports "represent a significant advance in the field," she says. "The applications field is now taking off, and interest in the field by the science community has grown a lot in the last two to three years."

One of the easiest applications would be for recycling waste heat from computer chips into electricity. "You gain twice," says Heath. "Number one, you're getting rid of heat, which is bad in a laptop, and number two, you're gaining efficiency." He thinks that applications could come with just a couple of years' work.

Both teams are pressing ahead to see what they can achieve next. The researchers believe a material with a ZT of 3 or 4 would be very appealing commercially. Heath hopes to apply his findings to other materials that might start out with better properties than silicon and be improved further. He's doing work with silicon germanium, for instance, which has much lower thermal conductivity than pure silicon.

Cronin Vining, a consultant on thermoelectrics, says the commercial market for thermoelectric devices is very small at present but could grow with better materials. He says the nanowire work is impressive, but he's not ready to say that thermoelectrics could, for instance, help stem global warming by increasing the efficiency of power plants. "As they stand, their properties are not really good enough to be useful," Vining says. "But this is the very first result on silicon in 60 years that's of any interest at all."

شبکه های مخابراتی

آنچه از گذشته عملکرد شبکه‌های مخابراتی قدیمی شامل شبکه‌های خطی یا رادیویی ، آنالوگ یا دیجیتال حاصل می‌شود، عدم جامعیت اینگونه شبکه‌ها را در ارائه امکانات مطلوب و ظرفیت مورد نیاز و همچنین صرف هزینه‌های اقتصادی بسیار بالا در مقایسه با توزیع جغرافیایی و جمعیتی است، لذا طرح و توسعه چنین شبکه‌هایی با حجم ارسال اطلاعات محدود و تعداد مسیرهای غیر منطقی ارسال (بخصوص از جنبه تعمیر و نگهداری و تأمین پرسنل و قطعاتی یدکی) ، غیر اقتصادی است.

از سوی دیگر در حال حاضر به علت قدیمی بودن معیارها و مبانی فنی طرحهای مزبور و عدم تطبیق آنها با پیشرفتهای سریع در فن آوری مخابرات (بخصوص در زمینه روج پردازش اطلاعات) و افزایش چشمگیر ظرفیت و حجم بالای مبادله اطلاعات در کوتاهترین زمان ممکن از یک طرف و حداقل سازی هزینه‌های طرح و ساخت و نگهداری ، تأمین پرسنل و قطعات یدکی از طرف دیگر ، طراحان را بر آن داشت که به فکر جایگزینی ، توسعه و تغییر در چگونگی طرح و اجرای شبکه‌های مخابراتی بیفتند.

بطوری که مناسبترین شبکه‌های ارتباطی بر اساس عوامل مختلفی همچون ظرفیت ، کیفیت انتقال ، فاصله گسترش ، نوع محیط و ناحیه فعالیت ، سرعت و ارزش طرح و ساخت ، نصب و راه اندازی ، تعمیر و نگهداری طراحی و مورد استفاده گیرند. این مقاله متداولترین شبکه‌های مخابراتی (شامل شبکه‌های خطی وشبکه‌های رادیویی) را معرفی و بررسی می‌نماید.

شبکه‌های خطی
اینگونه شبکه‌ها ابتدایی‌ترین شکل شبکه‌های مخابراتی هستند که عموما برای ایجاد شبکه‌های مخابراتی در مناطق ویژه روستایی و مناطق دور افتاده که ارتباطات محدود و کیفیت کم مورد نظر است استفاده می‌شوند. در پیاده سازی این نوع شبکه‌های مخابراتی از دکلهای چوبی ، فلزی و یا بتونی و کابلهای مخابراتی و نگهدارنده‌های آن و سایر تجهیزات جانبی استفاده می‌شود.

یکی از مواد تشکیل دهنده کابلها مس است که قیمت آن گران می‌باشد، لذا از مصرف کابل در این نوع شبکه‌ها از جنبه صرف هزینه‌های اقتصادی ایجاد محدودیت می‌نماید. از طرف دیگر ، شبکه‌های خطی نیاز به محیط انتقال مناسب اعم از خطوط دو سیمه ، چهار سیمه و کابلهای کواکسیال دارند. این نوع خطوط انتقال باید همچون یک لوله عمل کنند، بدین معنی که هر آنچه به آنها وارد می‌شود بدون کوچکترین تغییری از آنها خارج می‌گردد، اما در فواصل طولانی ، شبکه‌های خطی متأثر از شرایط بد آب و هوایی و همچنین به دلیل داشتن خواص ذاتی ، متأثر از نویز و تداخل می‌شوند، که موجب تضعیف و انحراف در سیگنال مورد نظر می‌گردد.

برای اجتناب از این موارد و به منظور کنترل و یا رفع چنین پدیده‌های ناخواسته‌ای ، در مسیر شبکه‌های مخابراتی از تکرار کننده‌ها استفاده می‌شود که استفاده از آنها از جهاتی موجب بهبود در عدم تأثیرپذیری از عوامل خارجی می‌گردد و از سوی دیگر سبب کاهش نسبت سیگنال به نویز و صرف هزینه‌های اقتصادی می‌شود، که در نهایت مقبولیت ارتباط از طرف مشترکان را باعث می‌شود. با توجه به موارد فوق ، شبکه‌های خطی در تأمین ارتباطات به تنهایی و در توسعه و تکمیل سایر شبکه‌های ارتباطی به صورت تلفیقی استفاده می‌شوند.
شبکه‌های فیبر نوری
یکی دیگر از انواع شبکه‌های خطی ، شبکه‌های فیبر نوری می‌باشد که به دلیل سهولت در نصب و نگهداری ، برای ایجاد شبکه‌های ارتباطی بسیار سودمند و مفید هستند؛ البته به دلیل هزینه‌های بسیار بالای نصب و راه اندازی اولیه ، امکان فراگیر شدن آن در مدت زمان کوتاه برای کلیه مشترکان دهکده جهانی ارتباطات مقدور نیست. با این وجود ، برخی از کشورها با آینده نگری ، سرمایه گذاری در زمینه طرح و پیاده سازی شبکه‌های فیبر نوری را در دستور کار خود قرار داده‌اند. کمترین میزان تضعیف ، تأثیر پذیری از شرایط محیط خارجی ، نویز و تلفات بر واحد طول و همچنین گستردگی در کارایی ، شبکه‌های فیبر نوری را قابل اعتماد کرده است، بطوری که در آینده نزدیک استفاده همه جانبه از این نوع شبکه‌ها را شاهد خواهیم بود.

شبکه‌های رادیویی
شبکه‌های رادیویی VHF
قبل از جنگ جهانی دوم پدیده‌های غیر قابل توصیفی در مورد شبکه‌ها و ارتباطات رادیویی در فرکانسهای VHF و پایین‌تر از آن بدست آمد. در اواخر سال 1930 کشور انگلستان موفق به تعریف و توصیف پدیده‌های فوق شد و بدین ترتیب با تکمیل ساختمان سیستمهای رادیویی ، کاربرد شبکه‌های رادیویی به جهانیان ارائه شد. هر چند شبکه های قدیمی و متداول آن زمان نیازمندیهای اولیه در برخی از موارد را برآورده می‌ساخت، اما در مورد تأمین ارتباطات دریایی و هوایی ، به علت استفاده از سیم و یا خطوط انتقال ، مثمر ثمر واقع نمی‌شدند.

از طرفی نیاز به ارسال اطلاعات در مسیرهای طولانی ، استفاده از ارتباطات رادیویی به صورت عملی را سبب شد و بدین لحاظ شبکه‌های رادیویی VHF به دلیل ارزانی در قیمت ، سادگی در نصب و ظرفیت محدود به منظور تأمین ارتباطات در مناطق کم جمعیت بویژه در مناطق روستایی یا استفاده‌های خاص ، موارد استفاده بسیاری پیدا نمودند. علاوه بر اینها ، هزینه‌های اقتصادی بسیار کم برای طرح و ساخت ، تعمیر و نگهداری ، تأمین قطعات یدکی و پرسنل و همچنین قابلیت تلفیق این نوع شبکه با انواع دیگر شبکه‌های رادیویی ، استفاده از آنها را در ایجاد شبکه‌های ارتباطی امروزی ، اصلی تفکیک ناپذیر نموده است.
شبکه های مایکروویو
شبکه‌های خط دید مستقیم
L.O.S اینگونه شبکه‌ها از فرکانسهای رادیویی و فضای آزاد برای انتقال سیگنالهای مخابراتی استفاده می‌کنند. در طراحی این نوع شبکه‌ها در حالت منفرد (یعنی جهت تأمین ارتباط بین دو سایت مفروض) سعی طراحان در افزایش حداکثر مسافت بین دو سایت و کاهش توان ارسالی تا حد ممکن و کاهش هزینه‌های ساخت و تولید بوده است. البته در عمل به علت محدویت فرکانس رادیویی و محدودیت شرایط اقلیمی با توجه به فناوری طرح و ساخت اینگونه شبکه‌ها ، محدودیت مسافت امری اجتناب ناپذیر شده است. بطوری که در پیاده سازی و اجرای اینگونه شبکه‌ها به منظور افزایش مسافت، نیاز به تکرار کننده‌ها مشهود است.

استفاده از تکرار کننده‌ها علاوه بر تحمیل هزینه‌های اقتصادی باعث کاهش نسبت سیگنال به نویز می‌شود که این مساله در شبکه‌های مخابراتی بی سیم ممکن است سبب تضعیف و در نهایت ایجاد خطا در سیگنال و یا حذف سیگنال ارسالی گردد. به طوری که در انواعی از این شبکه‌های مخابراتی ، از سیستمهایی نظیر باز سازنده‌ها و پردازشگرهای تصحیح خطایی سیگنال به منظور تصحیح خطا و یا کاهش تأثیر خطا و در نهایت حذف سیگنالهای خطا استفاده می‌شود، بدین جهت که احتمال و ایجاد گسترش خطا تا نهایت درجه کاهش و یا به حد صفر برسد.

از مزایایی این نوع شبکه‌ها در مقایسه با شبکه‌های مذکور قبلی ، ظرفیت بیشتر ، سادگی در طرح و ساخت ، سرعت در نصب و راه اندازی و کاربرد ویژه در نواحی غیر هموار و دارای شرایط جوی خاص می‌باشد. همچنین اینگونه شبکه‌ها امکان تلفیق با شبکه‌های چند مسیره (لانه زنبوری) را دارند.، با بهره مندی از این روش ، محدودیت ظرفیت که مشتمل بر محدودیت دسترسی (محدودیت در تعداد مشترکان و استفاده کنندگان) و محدودیت در انتقال اطلاعات می‌باشد تا میزان قابل توجهی مرتفع می‌شود. لذا به همین دلیل است که در تأمین شبکه‌های مخابراتی بین شهری در کشور ما ، از اینگونه شبکه‌ها استفاده می‌گردد.

شبکه‌های تروپو (T.S)
این شبکه‌ها نوعی ایجاد ارتباط بین دو نقطه از سطح زمین را که بر اثر منعکس شدن دسته‌ای از انرژی متمرکز شده از طبقه متلاطم و تروپوسفر حاصل می‌شود تأمین می‌کنند. تجارب حاصل از ارتباطات تروپو را می‌توان مربوط به سال 1933 دانست که به کمک فرستنده‌های رادیویی 500 مگا هرتزی انتشار امواج ماورای محدوده L.O.S حاصل شد. جنگ دوم جهانی موجب توسعه سریع شبکه‌های مایکروویوی گردید، بطوری که پس از ساخت این شبکه‌ها در این جنگ ، شبکه‌های پخش رادیویی FM و تلویزیون مشغول انجام آزمایشهایی برای دریافت سیگنال از فواصل دورتر از L.O.S شدند.

در سال 1952شرکت تلفن بل شروع به تحقیقاتی در زمینه سیستم عملی ماورای سیستم L.O.S نمود. در سال 1955 صنایع الکترونیکی و نیروی هوایی آمریکا ، بطور مشترک پروژه‌ای را در زمینه شبکه‌های ارتباطی آغاز نمودند که به نام شبکه پل والت (Polevalt) نامیده می‌شد. همین امر موجب گردید که نیروی هوایی آمریکا موفق به تهیه سیستمی شود که تنها به بخشی از ایستگاههای مورد نیاز جهت عملیات L.O.S احتیاج باشد.

این شبکه ، ارتباطی به منظور اعلام خطر اولیه در مدار شمالی مورد استفاده واقع می‌شد و از آنجائی که این شبکه مورد تأکید مقامات ذیصلاح قرار گرفت، بعدها گسترش یافت و امروزه شبکه ارتباطات تروپو به عنوان فیلتر استاندارد فضایی بین شبکه ارتباطی L.O.S و شبکه‌های ارتباطی ماهواره‌ای شده است. از مزایای شبکه‌های روپو ، ظرفیت قابل توجه انتقال سیگنال و ارسال سیگنال به فاصله‌های بسیار دور و قابلیت تلفیق آن با انواع دیگر شبکه‌های ارتباطی است.

معایب
معایب اینگونه شبکه‌ها تأثیر پذیری سریع آنها از شرایط آب و هوای و تغییر پذیر کیفیت ارتباط با زمان بطور تداوم می‌باشد؛ چرا که با تغییر زمان در طی شبانه روز ، تا حدودی لایه تروپوسفر یک جو که واسطه انتقال اطلاعات دو نقطه فرضی است، تغییر عرض می‌دهد و بدین ترتیب محاسبات تعیین زاویه تابش تغییر می‌نماید و در نتیجه زاویه بازتابش سیگنال به نقطه ثانوی نیز دستخوش تغییر می‌شود. لذا اینگونه شبکه‌ها به علت نداشتن قابلیت ، تأمین مقبولیت کیفیت در کلیه زمانها ، بیشتر در شبکه‌های ویژه و در کاربریهای خاص (همچون شبکه‌های نظامی) استفاده می‌شوند.
شبکه‌های ماهواره‌ای (S.N)
رشد فزآینده مخابرات و تبدیل آن به یک وسیله ضروری جهت تأمین ارتباطات و تراکم ترافیک فوق العاده زیاد در شبکه‌های مخابراتی که به عدم اتلاف وقت در ارسال و دریافت نیاز داشت و همچنین لزوم انتقال اطلاعات بطور همزمان که حتی در بعضی از موارد اجتناب از تأخیر را عملا غیر ممکن می‌ساخت و نیز ضعف و محدودیت شبکه‌ها و سیستمهای مخابراتی و مشکلاتی نظیر نبودن شبکه‌های ارتباطی در دو سوی اقیانوسها و در برخی از موارد نیز هزینه بالای تأمین ارتباط بین دو نقطه بسیار دور از هم ، امکان تأمین را امری محال می‌نمود. این مسأله دانشمندان و طراحان شبکه‌های مخابراتی را بدین سو رهنمون ساخت که شبکه مخابراتی ویژه‌ای با حداقل محدودیت برای پوشش حداکثر موقعیت جغرافیایی ارائه دهند تا ضمن برخورداری از مخابراتی پویا با گستره جهانی ، مرزهای جغرافیایی را در نوردد و دهکده جهانی ارتباطات را پایه گذاری نماید.

برای نیل بدین هدف ، طرح شبکه‌های مخابرات ماهواره‌ای ارائه شد. ماهواره‌ها پوشش 100 درصد جغرافیایی را تأمین می‌نمایند و سرعت پوشش مناطق روستایی و صعب العبور را در کمترین زمان امکان پذیر می‌سازند و این شبکه‌ها چه از نظر اقتصادی و چه از نظر کیفیت ، برتری کاملی نبت به شبکه‌های زمینی دارند. به عنوان مثال با توجه به اینکه اندونزی کشوری با بیش از 13 هزار جزیره است که در برخی از موارد بعضی از جزایر آن تا 700 کیلومتر از یکدیگر فاصله دارند، بنابراین تنها از فضا می‌توان آن را یکپارچه دید.

افزایش روز افزون تعداد ماهواره‌های مخابراتی و نیز انواع سرویسهای استفاده کننده آن ، مسأله محدودیتهای طیف فرکانسی و ظرفیت ثابت مدار فضایی را مطرح کرده است؛ بدین معنی که با گذشت زمان ، کسب توافق جهت کاربرد فرکانسها و موقعیتهای مداری مطلوب برای ماهواره‌های جدید ، بدون برنامه ریزی برای آینده مشکلتر شده است. به همین منظور سازمان جهانی مخابرات در سال 1979 میلادی تصمیم گرفت که برای تضمین عملی دسترسی برابر به مدار ثابت فضایی و فرکانسهای مختص سرویسهای فضایی برای همه کشورها ، ضوابط و قوانین جدی و اجتناب ناپذیری اجرا کند.

مزایای مهم شبکه‌های ماهواره‌ای
مزیتهای تکنیکی و اقتصادی شبکه‌های ماهواره‌ای اهمیت این سرویس جدید در شبکه‌های مخابراتی روشن می‌سازد که در اینجا به سه مورد بارز آن اشاره می‌شود:



کیفیت صدایی که از ماهواره پخش می‌شود، در حد دیسکهای فشرده مغناطیسی است. در حال حاضر بالاترین درجه کیفیت در پخش صدا را داراست.


با یک فرستنده ماهواره‌ای در حدود چند صد وات ، می‌توان پوشش کامل رادیویی در منطقه جغرافیایی وسیعی را تأمین نمود.


امکان فشرده سازی صدا و تصویر ، استفاده بهینه از طیف فرکانسی به همراه توان ارسالی و امکان ارائه صدا و تصویر با کیفیت به مراتب بهتر.

به هر حال با تمامی مزایا و کاربردهای گسترده شبکه‌های رادیویی ، نکته حائز اهمیت این معایبی پرهیز ناپذیر ، نظیر تأثیر پذیری کیفیت ارتباط از شرایط بد آب و هوایی باشند؛ چرا که محیط انتقال آنها بطور ذاتی از شرایط جوی تأثیر پذیرند.

قوس الکتریکی چیست؟

تاریخچه

در سال 1802 پتروف (V.P.Petrof) کشف کرد که اگر دو تکه زغال چوب را به قطب های باتری بزرگی وصل کنیم و آنها را به هم تماس دهیم و سپس کمی از هم جدا کنیم شعله روشنی بین دو تکه زغال دیده می شود. و انتهای آنها که از شدت گرما سفید شده است نور خیره کننده ای گسیل می دارد. قوس الکتریکی هفت سال بعد دیوی (H.Davy) فیزیکدان انگلیسی این پدیده را مشاهده نمود و پیشنهاد کرد که این پدیده به احترام ولتا قوس ولتا نامیده شود.

آزمایش ساده

اگر بخواهیم در یک روش ساده ای ایجاد قوس الکتریکی را نشان دهیم باید دو تکه کربن را روی گیره قابل تنظیم سوار نمود (بهتر است که به جای زغال چوب معمولی میله خاصی که از کربن قوس ساخته می شود و با فشار دادن مخلوط گرافیت ، کربن سیاه و مواد چسبنده به وجود می آیند، استفاده شود).

چشمه جریان می تواند برق شهر هم باشد برای اجتناب ازاینکه در لحظه تماس تکه های کربن مدار کوتاه ایجاد شود باید رئوستایی به طور متوالی به قوس وصل شود.

معمولا برق شهر با جریان متناوب تغذیه می شود. ولی در صورتی که جریان مستقیم از آن عبور کند قوس پایدارتر است به طوری که یکی از الکترودها همیشه مثبت «آند)و دیگری همواره منفی «کاتد)است.

ماهیت قوس الکتریکی

در قوس الکتریکی الکترودها در اثر حرارت سفید رنگ می شود. ستونی از گاز ملتهب رسانای خوب الکتریکی بین الکترودها وجود دارد. در قوس معمولی این ستون نوری بسیار کمتر از نور تکه های کربن سفید شده از آزمایش‌های مربوط به گرما گسیل می کنند. چون الکترود مثبت دمایش از الکترود منفی بیشتر است زود تر از بین می رود. در نتیجه تصعید شدید کربن صورت گرفته و در آن الکترود (الکترود مثبت) فرورفتگی به وجود می آید که به دهانه مثبت معروف است و داغ ترین نقطه الکترودهاست.

دمای دهانه در هوا و در فشار جو به 4000 درجه سانتیگراد می رسد. در لامپ های قوسی سازوکارهای منظم و خود کار خاصی برای نزدیک کردن تکه های کربن با سرعت یکنواخت وقتی با سوختن از بین می روند، مورد استفاده قرار می گیرند. برای اینکه سایش و خوردگی الکترود مثبت به خاطر دمای بالایش بیشتر است،برای همین همیشه الکترود کربن مثبت کلفت تر از الکترود منفی اختیار می شود.

دماهای بالا در قوس الکتریکی

قوس الکتریکی می تواند بین الکترودهای فلزی ساخته شده از آهن ، مس و غیره نیز بگیرد. در این حالت الکترودها به میزان زیادی ذوب و تبخیر می شوند و این عمل به مقدار زیادی آزمایش‌های مربوط به گرما احتیاج دارد. به این دلیل دمای مرکز الکترود فلزی معمولا کمتر از دمای الکترود کربنی است (2000 تا 2500 درجه سانتیگراد).

قوسی که بین الکترودهای کربن در گاز فشرده ای قرار می گیرد (حدود 20atm) بالا رفتن دمای مرکز مثبت تا 5900 درجه سانتیگراد یعنی دما روی سطح خورشید را ممکن ساخته است. معلوم شده است که کربن در این حالت ذوب می شود. دمای باز هم بالاتری را می توان در ستونی از گاز و بخاری که از آن تخلیه الکتریکی می گذرد، به دست آورد.

بمباران شدید این گاز و بخار با الکترون ها و یون هایی که با میدان الکتریکی قوس شتاب گرفته اند دمای ستون گاز را 6000 تا 7000 درجه سانتیگراد می رساند. به این دلیل تقریبا تمام مواد شناخته شده در ستون قوس الکتریکی ذوب و تبخیر می شوند. و بسیاری از واکنش های شیمیایی که در دماهای پایین انجام شدنی نیستند، با قوس الکتریکی امکان پذیر می شوند. مثلا میله های چینی دیر گداز در شعله قوس به سهولت ذوب می شود.

چگونگی ایجاد تخلیه قوس الکتریکی

برای ایجاد تخلیه قوس الکتریکی به ولتاژ زیادی احتیاج نیست با ولتاژ 40 تا 45 ولت بین الکترود ها می توان قوس را به وجود آورد. از طرف دیگر جریان داخل قوس زیاد است. مثلا حتی در قوس کوچک جریان به 5 آمپر می رسد، در حالیکه در قوس های بزرگ که در مقیاس صنعتی به کار می روند جریان به صدها آمپر بالغ می شود. این به این معنا ست که مقاومت قوس پایین است و از این رو ستون گاز تابان رسانای الکتریکی خوبی است.

یونیزاسیون گاز با انرژی قوس الکتریکی

یونش شدید گاز با قوس الکتریکی به آن دلیل امکان پذیر است که کاتد قوس الکتریکی تعداد زیادی الکترون گسیل می داد. این الکترون ها با برخورد با گاز داخل شکاف تخلیه گازی آن را یونیزه می کنند. گسیل الکترونی شدید از کاتد از آنجا ممکن می شود که خود کاتد تا دمای بسیار بالایی گرم می شود (بسته به ماده از 2200 تا 3500). وقتی که الکترودهای قوس در ابتدا تماس داده شوند تقریباً تمام گرمای ژول که از الکترود ها می گذرد در ناحیه تماس که مقاومت بسیار دارد آزاد می شود.

به این دلیل انتهای الکترودها به شدت گرم می شوند که برای گیراندن قوس به هنگام جداکردن آنها کافی است آن وقت کاتد قوس توسط جریانی که از قوس می گذرد، در حالت التهاب می ماند. در این فرایند بمباران کاتد توسط یون هایی که به آن برخورد می کند نقش اصلی را ایفا می کند.

مشخصه جریان ولتاژ قوس الکتریکی

یعنی بستگی جریان الکتریکی در قوس الکتریکی به ولتاژ بین الکترودها ، ویژگی خاصی دارد. در فلزات و الکترولیت ها جریان متناوب با ولتاژ افزایش می یابد «قانون اهم). در صورتیکه برای رسانش القایی گازها جریان ابتدا با ولتاژ زیاد می شود، سپس اشباع شده و مستقل از ولتاژ است.

بنابر این افزایش جریان در تخلیه قوسی به اندازه مقاومت در شکاف بین الکترودها و ولتاژ بین آنها منجر می شود. برای اینکه تابانی قوس پایدار بماند رئوستا یا مقاومت الکتریکی قوی دیگری را باید به طور متوالی به آن بست.

ابررسانا چیست

 
از کشف ابررسانایی در سال 1911 میلادی تا سال 1986 ، باور عموم بر آن بود که ابررسانایی فقط می تواند در فلزاتی در دماهای بسیار پایین وجود داشته باشد، که فقط در دماهای حداکثر 25 درجه بالای صفر مطلق اتفاق می افتاد. با کشف ابررسانایی در دماهای بالاتر در سال 1986 ، در موادی که تقریبا ضد فرو مغناطیسی بودند، و در هواپیماهای شامل a nearly square array of اتم های مس و اکسیژن، فصل جدیدی در علم فیزیک باز کرد. حقیقتا، درک ظاهر شدن ابررسانایی در دماهای بالا (حداکثر دمای 160 کلوین) یک مساله ی بزرگ برای بحث کردن می باشد. تا آن جا که امروزه بیش از ده هزار محقق روی این موضوع تحقیق و بررسی انجام می دهند.

پس از مقدمه ای بر مفاهیم پایه ی فلزات معمولی و مرسوم، دمای پایین، و ابررسانایی، مروری بر نتایج مشاهدات انجام شده در دهه ی گذشته خواهم داشت ، که نشان می دهند ابررساناهای دمای بالا فلزات عجیبی با خواص غیرعادی بسیار بالای ابررسانایی می باشند. سپس، پیشرفت های نظری اخیری را شرح خواهم داد که طبیعت چنین فلزات عجیب را آشکار می سازد، و به شدت این پیشنهاد را که "تعامل مغناطیسی بین تحریکات ذره ی quasi مسطح است که رفتار حالت عادی آن ها را به هم می زند و باعث روی دادن حالت ابررسانایی در دماهای بالا می شود" پشتیبانی و تایید می کنند.

مقدمه :

در سال 1911 ، H. Kamerlingh-Onnes هنگام کار کردن در آزمایشگاه دمای پایین خود کشف کرد که در دمای چند درجه بالای صفر مطلق، جریان الکتریسیته می تواند بدون هیچ اتلاف اختلاف پتانسیل در فلز جیوه جریان پیدا کند. او این واقعه ی منحصر به فرد را "ابررسانایی" (Superconductivity) نامید. هیچ نظریه ای برای توضیح این رخداد در طول پنجاه و شش سال بعد از کشف ارائه نگردید. تا وقتی که در 1957 ، در دانشگاه الینویس ، سه فیزیکدان : John Bardeen ، Leon Cooper ، و Robert Schrieffer نظریه ی میکروسکوپی خود ارائه کردن که بعدا با نام تئوری BCS (حروف ابتدایی نام محققان ) شناخته شد. سومین رخداد مهم در تاریخ ابررسانایی در سال 1986 اتفاق افتاد، وقتی که George Bednorz و Alex Mueller ، در حال کار کردن در آزمایشگاه IBM نزدیک شهر زوریخ سوئیس، یک کشف مهم دیگر کردند : ابررسانایی در دماهای بالاتر از دماهایی که قبلا برای ابررسانایی شناخته شده بودند در فلزاتی کاملا متفاوت از آنچه قبلا فلز ابررسانا شناخته می شود. این کشف باعث ایجاد زمینه ی جدید ی در علم فیزیک شد : مطالعه ابررسانایی دمای بالا، یا .

در این مقاله، که برای غیر متخصص ها تنظیم گشته است، این را که ما چقدر در فهم دمای بالا پیشرفت کرده ایم را توضیح خواهم داد و درباره چشم انداز های آینده ی توسعه ی یک نظریه ی میکروسکوپی بحث خواهم کرد. من با مروری بر برخی مفاهیم پایه ی نظریه ی فلزات شروع می کنم؛ برخی اقدامات که منجر به ارائه ی نظریه BCS گشت را توضیح می دهم؛ و کمی در باره ی تئوری BCS بحث خواهم کرد و آن را توضیح خواهم داد. سپس مختصرا در باره ی پیشرفت هایی که به فهم ما از ابررسانایی و ابرسیالی، در جهان ارائه شده است، بحث خواهم کرد، پیشرفت هایی که بوسیله الهام از تئوری BCS بدست آمده اند. که شامل کشف رده های زیادی از مواد ابرسیال می باشد، از هلیوم 3 مایع که چند میلی درجه بالاتر از صفر مطلق به حالت ابرسیالی در می آید تا ماده ی نوترون موجود در پوسته ی سیاره ی نوترون، که در چند میلیون درجه به حالت ابرسیالی در می آید. سپس درباره ی تاثیرات کشف مواد ابررسانای دمای بالا بحث خواهم کرد ، و برخی نتایج تجربی کلیدی را جمع بندی خواهم کرد. سپس یک مدل برای ابررسانایی دمای بالا ارائه خواهم داد ، نزدیک به نظریه ی ضد فرومغناطیسی مایع فرمی ، که به نظر دارای توانایی ارائه ی مقدار زیادی از خواص غیرعادی حالت معمولی مواد ابررسانای سطح بالا می باشد. من با یک توضیح تجربی برای خواص جالب توجه حالت عادی ابررساناهای پیش بینی شده و در دست بررسی جمع بندی و نتیجه گیری می کنم، که یک رده جالب از مواد را معرفی می کند : مواد قابل تطبیق پیچیده . که در آن بازخورد غیرخطی طبیعی، چه مثبت و چه منفی، نقشی حیاتی در تعیین رفتار سیستم باز ی می کنند.

ابررساناهای مرسوم : از کشف تا درک ...

در سخنرانی نوبل خود در سال 1913 ، Kammerlingh-Onnes گزارش داد که "جیوه در 4.2 درجه کلوین به حالت جدیدی وارد می شود، حالتی که با توجه به خواص الکتریکی آن، می تواند ابررسانایی نام بگیرد. او گزارش داد که این حالت می تواند به وسیله ی اعمال میدان مغناطیسی به اندازه ی کافی بزرگی از بین برود. در حالی که یک جریان القاء شده در یک حلقه بسته ابررسانا به مدت زمان فوق العاده زیادی باقی می ماند و از بین نمی رود. او این رخداد را به طور عملی با آغاز یک جریان ابررسانایی در یک سیم پیچ در آزمایشگاه لیدن، و سپس حمل سیم پیچ همراه با سرد کننده ای که آن را سرد نگه می داشت به دانشگاه کمبریج به عموم نشان داد.

این موضوع که ابررسانایی مساله ای به این مشکلی ارائه کرد که 46 سال طول کشید تا حل شود، خیلی شگفت آور می باشد. دلیل اول این می تواند باشد که جامعه ی فیزیک تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه ی راه حل برای این مسئله را نداشت : تئوری کوانتوم فلزات معمولی. دوم اینکه، تا سال 1934 هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد. سوم اینکه، وقتی مبانی عملی لازم بدست آمد، به زودی واضح شد انرژی مشخصه وابسته به تشکیل ابررسانایی بسیار کوچک می باشد، حدود یک میلیونیم انرژی الکترونیکی مشخصه ی حالت عادی. بنابراین، نظریه پردازان توجه شان را به توسعه ی یک تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب کردند. این مسیر را Fritz London رهبری می کرد. کسی که در سال 1953 به نکته ی زیر اشاره کرد :‌ "ابررسانایی یک پدیده کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی می باشد ... با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریک شده بوسیله ی وقفه های زمانی." و اینکه "diamagntesim یک مشخصه بنیادی می باشد."

اجازه بدهید کمی درباره ی مبانی علمی کوانتومی بحث کنیم. الکترون ها در فلز در پتانسیل متناوب تولید شده از نوسان یون ها حول وضعیتشان حرکت می کنند. حرکت یون ها را می توان بوسیله ی مد های جمعی کوانتیزه شده ی آنها، فونون ها، توجیه کرد. سپس در طی توسعه ی نظریه ی کوانتوم، نظریه ی پاولی اصل انفجار وجود دارد ، که معنای آن بیانگر مفهوم آن است و آن اینکه - الکترونها به صورت اسپین نیمه کامل ذاتی (half integral intrinsic spin) قرار می گیرند، و در نتیجه هیچ الکترونی نمی تواند طوری قرار بگیرد که عدد کوانتوم آنها با هم یکی باشد. ذراتی که به صورت اسپین نیمه کامل ذاتی قرار می گیرند با نام فرمیون ها (fermions) شناخته می شوند، به خاطر گرامیداشت کار های فرمی (Fermi) که ، همراه با دیاک (Diac) ، نظریه ی آماری رفتار الکترون در دماهای محدود را توسعه دادند، این تئوری با نام Fermi-Diac statistics شناخته می شود. در توضیح فضای اندازه حرکت یک فلز ساده، حالت پایه یک کره در فضای اندازه ی حرکت می باشد، که اندازه ی شعاع آن، pf بوسیله ی چگالی فلز تعیین می گردد. انرژی خارجی ترین الکترون ها، در مقایسه با انرژی گرمایی میانگین آن ها، Kt بسیار بزرگ می باشد. به عنوان نتیجه، تنها بخش کوچکی از الکترون ها ، ، در بالاتر از حالت پایه تحریک می شوند. الکترون ها با هم دیگر ( قانون کلمب ) و با فونون ها تعامل می کنند و رابطه دارند. تحریکات ابتدائی آن ها ذرات quasi ، (quasiparticles) می باشند ، الکترون ها با ضافه ی ابر الکترونی وابسته به آنها و فونون هایی که هنگام حرکت از میان شبکه الکترون را همراهی می کند. یک بحث و مذاکره ی ابتدائی نشان می دهد که طول عمر یک quasiparticle تحریک شده بالای سطح فرمی ( سطح کره ی فرمی ) تقریبا برابر می باشد. مساله و مشکلی که برای نظریه پردازان در رابطه با این مساله پیش آمده، فهم چگونگی تحمل پذیری الکترون ها ی تعامل کننده هنگام رفتن به حالت ابررسانایی ، می باشد. این امر چگونه انجام می شود ؟ توضیح ریاضی مناسب برای این امر چه می باشد ؟

یک کلید راهنمای بسیار لازم در سال 1950 میلادی بدست آمد، وقتی محققان در Nationa Bearue of Standards و دانشگاه روتگرز کشف کردند که دمای انتقال به حالت ابررسانایی سرب بستگی به جرم ایزوتوپ آن، یعنی M ، دارد ، و رابطه ی عکس با M1/2 دارد. از آنجایی که انرژی لرزشی شبکه ای همان بستگی را با M1/2 دارد، کوانتای پایه ی آنها، فونون ها ، باید نقشی در ظهور و ایجاد حالت ابررسانایی بازی کند. در سال های بعدی، Herber Frohlich ، که از پوردو از دانشگاه لیورپول بازدید می کرد، و John Bardeen کسی که آن زمان در آزمایشگاه های بل کار می کرد، تلاش کردند نظریه ای با استفاده از تعامل الکترون ها و فونون ها ارائه بدهند، ولی شکست خوردند و موفق نشدند. کار انجام شده توسط آن ها را می توان به کمک دیاگرام های معرفی شده توسط ریچارد فاینمن (Richar Feynman) به تصویر کشید، که در قسمت (a) تصویر زیر نشان داده شده است. در تصویر زیر می توان یک الکترون را مشاهده کرد که یک فونون را آزاد می کند و سپس آن را جذب می کند. خواص آن بوسیله جفت شدن پویا با شبکه تغییر می یابند و تغییر در انرژی آن نسبت عکس با M1/2 دارد . اما این quasiparticle ها به حالت ابررسانایی در نمی آیند.

سپس Frohlich احتمال دوم را در نظر گرفت، حالتی که در تصویر بالا قسمت (b) نشان داده شده است، که در آن یک الکترون یک فونون را آزاد می کند و الکترون دومی آن فونون را جذب می کند. این تعامل فونون القایی می تواند برای الکترون ها ی نزدیک سطح فرمی جذاب باشد. این یک معادله فلزی waterbed می باشد : دو شخص که یک waterbed را به اشتراک می گذارند، تمایل دارند تا به مرکز آن جذب شوند، همان طوری که روند القاء الکترون ها را جذب می کند. (یک شخص تورفتگی را در waterbed القاء می کند، تورفتگیی که شخص دوم را جذب می کند.) تعامل مطالعه شده توسط Frohlich در نگاه جذاب و زیبا به نظر می رسد، که هم جدید بود و هم ذاتا تناسب درستی با جرم ایزوتوپی، M ، داشت. اگر چه مشکلی بزرگ در درک چگونگی نقش بازی کردن آن وجود داشت، از آن جا که تعامل پایه ای کلمب (Coulomb) بین الکترون ها دفع کننده می باشد، و خیلی قوی تر می باشد. همانطور که لاندو (Laundau) قرار داد : "شما نمی توانید قانون کولمب را لغو کنید." این اشکالی بود که John Bardeen و نویسنده ی این مقاله، دیوید پاینس (David Pines) (هنگامی که اولین دانشجوی دکترا در دانشگاه ایلیونیس در سال های 1952-1955 بود) ، آن را مورد انتقاد قرار دادند. چیزی که آن ها پیدا کردند، به وسیله ی توسعه ی یک راهبرد که David Bohm و David Pines قبلا برای فهم تعامل های جفت الکترون ها در فلزات توسعه داده بودند، این بود که "پیام ، متوسط است ." ("The Medium is the message") . وقتی آن ها اثر رویه ی به پرده در آوردن الکترونیکی (Electronic Screening) روی هر دو تعامل الکترون-الکترون و الکترون-آهن را در نظر گرفتند، فهمیدند که حضور جزء تشکیل دهنده ی دومی، یونها ، یک تعامل جذاب شبکه ای را بین یک جفت الکترون که تفاوت انرژی آن ها از انرژی یک فونون بنیادین کمتر می باشد، ممکن می سازد .

که در آن ثابت دی الکتریک استاتیک وابسته به watervector می باشد، انرژی فونون می باشد، q انتقال اندازه ی حرکت می باشد، و تفاوت بین انرژی الکترون ها می باشد. ترتیب ها آن به صورت جزئی تر توسط Leon Cooper مطالعه شده است . او فهمید که به خاطر این جذابیت شبکه ای، سطح فرمی حالت عادی می تواند در دماهای پائین به تشکیل جفت الکترون هایی با اسپین و اندازه حرکت مخالف، بی ثبات شود. با کار او، راه حلی برای ابررسانایی نزدیک بود. در سال 1957 میلادی، هنگامی که Bob Schrieffer ، کسی که دانشجوی فارغ التحصیلی Bardeen در دانشگاه الیونیس بود، فهمید که توضیح میکروسکوپی داوطلب حالت ابررسانایی، می تواند با به کار بردن راهبردی که قبلا برای پلارن ها توسعه یافته بود، توسعه یابد. (به وسیله ی T.D. Lee ، Francis Low و David Pines ) به جفت های تعامل کننده ی کوپر. در هفته های بعدی، Bardeen ، Cooper ، و Schrieffer نظریه ی میکروسکوپی ابررسانایی خود، تئوری BCS را ارائه دادند. که این تئوری در توضیح و تفسیر رویداد ها ی ابررسانایی موجود و هم چنین در پیش گویی رویداد های جدید بسیار موفق بود. در جولای 1959 ، در اولین کنفرانس عظیم در رابطه با ابررسانایی بعد از ارائه ی نظریه ی BCS ، (در دانشگاه کمبریج) ، David Schoenberg کنفرانس را با این جمله آغاز کرد : "حالا ببینیم تا چه حدی مشاهدات با حقایق نظری جور در می آیند ..."

تئوری BCS و اثرات آن

در تئوری BCS جذابیت زیادی بین جفت الکترون های دارای اسپین و اندازه حرکت مخالف هستند و مسئول انتقال به حالت ابررسانایی هستند وجود دارد. پایین درجه ی حرارت تبدیل به حالت ابررسانایی، ، جفت هایی از هم چگال ها، یک حالت کوانتومی یگانه ی اشغال شده ی ماکروسکوپیک، که بدون مقاومت جریان می یابد، و میدان های مغناطیسی خارجی ضعیف را screen out می کند، باعث بوجود آمدن یک دیامگنتیزم اندازه گیری شده در اثر میزنر (Meissner) می شود. در دماهای پایین، این باعث مصرف انرژی محدودی می گردد، ، برای جداسازی یکی از جفت ها در هم چگال؛ این شکاف انرژی است که توسط London پیش بینی شده بود؛ و اثرات آن بر روی خواص ابررسانایی توسط John Bardeen در سال های قبل از کشف و ارائه ی تئوری میکروسکوپی به صورت رخدادی بررسی شده بود.بنابراین، حالت ابررسانایی توسط دو جزء تشکیل دهنده مجزا مشخص می شود : یک ابرمیدان (superfield) ، هم چگال، و یک سیال معمولی تشکیل شده از تحریکات تک ذره ای که از جدا شدن از هم هم چگال در دماهای محدود نتیجه می شود. quasiparticle های تحریک شده که سیال معمولی را تشکیل می دهد، در پاسخ به میدان های خارجی ، اثرات منسجم معلوم و مشخصی را از خود نشان می دهند، پدیده ی انسجام که یکی از مشخص کننده های تئوری جفت کننده ی BCS می باشد، اما وگرنه بصورت معمولی رفتار می کنند، که در آن با یکدیگر، با فونون ها ، و با دیواره های ظرف شامل آن ها برخورد می کنند. طول بنیادی که رفتار منسجم در آن می تواند اتفاق بیافتد، طول انسجام (coherence length) ، چند هزار برابر فاصله ی بین ذرات داخلی می باشد. برای درک کردن آن چه اتفاق می افتد، در نظر گرفتن قیاس با یک زمین رقص پر شده از زوج های رقاص که هماهنگ با موزیک حرکت می کنند، می تواند کمک کننده باشد. در حالت عادی، زوج ها مرتبا با یکدیگر برخورد می کنند، اما در حالت ابررسانایی، آن زوج هایی که تعلق به هم چگال دارند، دارای یک قید و بند نامرئی می باشند که به آن ها اجازه می دهد تا به راحتی به حول سالن رقص رقص کنند(a la Rogers And Astaire) و پرواز کنند. اگر زوج های جدا کننده ای وجود دارند؛ فقط منفردهای تحریک شده ی غیر متصل هستند که با یکدیگر و دیوار ه ی سالن رقص برخورد می کنند. تبدیل به ابررسانایی BCS اساسا متفاوت از آن چه ممکن است اگر زوج ها بالای تشکیل شده باشند، سپس متراکم شوند، اتفاق بیافتد، می باشد. و در مورد اخر، طول انسجام چندین برابر فضای بین ذره ای می باشد و بستگی به ندارد.

نظریه ی BCS اثر قابل توجهی در زمینه های دیگر فیزیک داشت. این نظریه پیش بینی می کند که هر سیستم دارای فرمیون های تعامل کننده، می تواند به حالت ابررسانایی برود ، یا در صورت فرمیون های بدون بار، یک تبدیل ابرسیالی، یکی دارای تعامل جذاب برای فرمیون های شبکه ای در مجرای تکانه ی زاویه ای ارائه دهد. کمی بعد از انتشار نتایج اولیه ی تئوری BCS ، Aage Bohr ، Ben Mottleson و David Pines ، در حال کار در کپنهاگ در سال 1957 ، نشان دادند که نوترون ها و پروتون های موجود در هسته ی اتم به خاطر جذب دوسویه شان جفت می شوند، و اینکه می توان معمای قدیمی پدیده ی هسته ای را توجیه کند، در حالی که Yoichiro Nambu در شیکاگو کشف کرد که ترتیب جفت کردن BCS برای پدیده های انرژی بالا در فیزیک ذرات ابتدائی پیدا می شود. حضور ابرسیالات پروتون و نوترون در پالسارهای (pulsar) تازه کشف شده در 1989 احضار شد. (توسط Gordon Baym ، Chris Pethick ، Mal Ruderman ، و David Pines ) به عنوان توضیح برای زوال طولانی مدت glitch ها (پرش های ناگهانی در مدت چرخش پالسار) که در پالسارهای Vela و Crab در سپتامبر و مارس 1969 کشف شده بود. از آنجایی که اتمهای هلیوم 3 فرمیون هستند و دارای جذب برد بالا می باشند، به طور وسیعی انتظار می رفت که هلیوم 3 به تبدیل حالت ابرسیال برود، و جامعه فیزیک دمای پایین به دنبال نشانه هایی از آن تبدیل گشت، یک جستجویی که برای Doug Osheroff ، David Lee ، و Bob Richardson در دانشگاه کورنل موفقیت آمیز بود، و در سال 1972 کشف کردند که هلیوم 3 چند میلی درجه بالای صفر مطلق ابر سیال می شود.

نیازی به گفتن نیست که، الهام شده توسط تئوری BCS ، آزمایشگر های مواد منقبض، رده ی جدیدی از فلزات ابررسانا را معرفی کردند، و مشتاقانه به دنبال موادی که در دماهای نسبتا بالاتر از دماهای تبدیل کمتر از 20 کلوین، که فلزات ابررسانای معمولی را مشخص می کند، ابررسانا می شوند، گشتند. دو رده ی جدید از ابررساناها کشف شدند : مواد الکترون سنگین ، CeCu2Si2 ، UPt3 ، و UBe13 که توسط Frank Steglich ، Zackary Fisk ، Jim Smith ، و Hans Ott در آلمان، در حال کار کردن در Los Alamos ، به عنوان ابررسانا در دماهای حدود یک کلوین شناخته شدند. در حالی که Daniel Jerome در پاریس ابررسانایی را در فلزات آلی تقریبا دو بعدی در حدود ده درجه ی کلوین را کشف کرد. اگرچه ، باوجود تلاش های زیاد Bend Matthias ، که حدود صد ماده ی ابررسانا را کشف کرد، هنوز حد بالایی برای دمای مواد ابررسانا وجود داشت : 23 درجه ی کلوین ، درجه ی حرارتی که از مکانیسم به کار رفته برای ابررسانایی ناشی می شد، تعامل فونون-القائی.

ابررساناهای دمابالا

زمینه ای جدید در علم فیزیک آغاز شد هنگامی که در 27 ژانویه 1986 میلادی، Bednorz و Mueller یک افت مقاومت تیز را در La2-mBamCuO4 در دمای حدود 30 درجه ی کلوین مشاهده کردند. آن ها مقاله ای در این باره به یکی از روزنامه های معتبر اروپائی، ZeitSchrift fur Physik فرستادند و مطالعه ی خود را برروی این ماده ی جدید ادامه دادند تا اطمینان حاصل کنند که تغییر مقاومت ناگهانی، تبدیل به یک حالت ابررسانایی بوده. تا ماه اکتبر، آن ها اثر مایزنر (The Meissner Effect) را مشاهده کرده بودند ، بنابراین یک ماده ابررسانای جدید را به ثبت رساندند. نتایج آن ها در دنیا پخش شد، یک ماه بعد، Tanaka و همکاران وی در توکیو نتایج Bednorz-Muller را تأیید نمودند (یک تأییدیه در یکی از روزنامه های ژاپنی چاپ شد) در حالی که کار آن ها در پکن توسط Zou و همکارانش پشتیبانی و حمایت شد. (کار آنها در دسامبر در یکی از روزنامه ها توضیح داده شد.) در ماه بعد، در نتیجه ی یک تلاش همکارانه بین Paul Chu از دانشگاه هوستون و Mang-Kang Wu از دانشگاه آلاباما، عضو جدیدی از خانواده مواد ابررساناهای دما بالا کشف شد ، YBa2Cu3O7 که دارای بالای 70 درجه ی کلوین بود. بنابراین فقط در طی یک سال از کشف اصلی، دمای انتقال به حالت ابررسانایی افزایش سه برابر داشت. و واضح بود که انقلاب ابررسانا ها هنوز شروع شده است. یک جشن برای بوجود آمدن این فصل در علم فیزیک طی یک جلسه در نیویورک توسط انجمن فیزیک دانان آمریکایی در یک بعد از ظهر یکی از روزهای مارس 1987 برگزار شد. این جشن 3000 شرکت کننده داشت و 3000 نفر نیز این جشن را از طریق تلویزیون مشاهده می کردند ...

در طول شش سال بعد، چند خانواده ی دیگر از ابررسانا ها کشف شدند، که شامل سیستمهای مبنی بر -Tl و -Hg می باشند، که به ترتیب دارای حداکثر 120 کلوین و 160 کلوین می باشند. همگی آنها یک ویژگی که موجب روی دادن ابررسانایی دمای بالا بود، داشتند، وجود پلین های (planes) شامل اتم های O و Cu ی که جدا شده بوسیله ی مواد پل کننده ای که به عنوان حامل بار عمل می کنند هستند. در طی این مدت، حدود چند هزار مقاله در رابطه با ابررسانا ها منتشر گشت (و در زمان حاضر هم منتشر می شود) بدیهی گشت که ابررسانایی دمای بالا وابسته به مسائل بزرگ فیزیک بسیاری در طول دهه ی گذشته ی این قرن بود. حداقل چهار دلیل برای علاقه ی شدید به بالا وجود دارد : یک علاقه ی علمی ذاتی و باطنی، طبیعت انتقال نظم و ترتیبی، (این به حدود جدا کننده ی دانشمندان و شیمی دان های مواد از طریق فیزیکدان های نظری و تجربی می رسد) ؛ کاربردهای بالقوه برای مواد ی که دردماهای بالاتر از 77 کلوین (دمایی که نیتروژن مایع می شود) به عنوان ابررسانا عمل می کنند، کاربردهایی که می توان در سیستم های تلفن سلولی اعمال کرد، خطوط انتقال ابررسانایی، ماشین های MRI استفاده کنند از مغناطیس های بالا، میکروویو های استفاده کننده از مواد ابررسانای جدید، سیستم های ابررسانا/نیمه رسانای هیبریدی؛ و در آخر پیدا کردن ابررسانای دمای اتاق.

برخی مشخصه ها و خواص ابررسانا های جدید عبارتند از اینکه آن ها سرامیک، و اکسید های ورقه ورقه می باشند که در دمای اتاق فلزات ضعیف و بی ارزشی هستند، و مواد متفاوتی برای کار کردن هستند. شامل کمی حامل بار در مقایسه با فلزات معمولی هستند، و خواص انیسوتوروپیک (Anisotropic) الکتریکی و مغناطیسی هستند که بطور قابل ملاحظه ای حساس به محتوای اکسیژن می باشند. در حالی که، نمونه های ابررسانای مواد 1-2-3 ، Yba2Cu3O7 ، را یک دانش آموز دبیرستانی نیز می تواند در یک اجاق میکروویو تولید کند، کریستال های یکتای دارای درجه ی خلوص بالا برای تشخیص خواص فیزیکی ذاتی موادی که ساختن آن ها به طور خیلی زیادی سخت است، لازم است.

در ادامه ی یک دهه کار، یک وفاق عمومی بر سر این موضوع وجود دارد که رفتار تحریکات ابتدائی در پلین های (planes) ، Cu-O یک کلید برای درک خواص حالت عادی این ابررساناها ارائه می دهد، و اینکه آن خاصیت غیر حالت عادی شبیه به حالت عادی ابررساناهای معمولی و دمای پایین می باشند. همانطور که می توان در جدول زیر مشاهده کرد، هم پاسخ بار (charge respons) - (اندازه گیری شده در مشاهدات نوری و انتقالی) و هم پاسخ اسپین (اندازه گیری شده در مشاهدات قابلیت ایستا، تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) و مشاهدات متفرق ساختن غیر الاستیک نوتورون ها (INS)) مواد بالا بسیار متفاوت از همتاهای دمای پایین خود می باشند.

علاوه بر این، اساسا هیچ یک از خواص حالت ابررسانایی ، با خواص یک ابررسانای عادی یکی نیست، که در آن جفت کردن BCS در حالت خط واحد اتفاق می افتد و شکاف انرژی ذرات quasi در دماهای پائین و ایزوتپریک، هنگامی که یکی حول سطح فرمی حرکت می کند، محدود می باشد. علی رغم این حقیقت که چیزی نسبتا جدید و متفاوت نیاز است تا رفتار حالت عادی را درک کنیم، یک توافق و اجماع وجود دارد که تئوری BCS ، اگر بطور مناسبی تغییر یابد، یک توضیح راضی کننده برای انتقال به حالت ابررسانایی و خواص مواد در آن حالت، می دهد .

یک توافق تقریبی همچنین در رابطه با اجزای سازنده ی پایه ی لازم برای درک ابررساناهای دمای بالا وجود دارد. آن ها را می توان به صورت زیر خلاصه کرد :

عمل ابتدا در پلین های Cu-O رخ می دهد، پس در تخمین اول، برای متمرکز کردن هم توجه نظری و هم عملی روی رفتار تحریکات پلانار، و همچنین برای متمرکز کردن بر روی دو سیستم مطالعه شده ، سیستم 1-2-3 (YBa2Cu3O7-m) و سیستم 2-1-4 (La2-mSrmCuO4) ، کفایت می کند.

در دماهای پائین هر دو سیستم عایق های آنتی فرو مغناطیس می باشند با یک آرایه ی محلی +Cu2 که علامت آن در داخل شبکه متناوبا عوض می شود .

شخصی سوراخ هایی را بر روی پلین های Cu-O سیستم 1-2-3 با تزریق اکسیژن ایجاد می کند، برای سیستم 2-1-4 این کار با تزریق استرونتیوم انجام می گیرد. سوراخ های حاصل روی مقر پلانار اکسیژن ، با اسپین های نزدیک +Cu2 پیوند پیدا می کنند، و حرکت را برای دیگر اسپین های +Cu2 آسان می سازد، و در روند، نابود کردن همبستگی های AF طولانی برد در عایق.

اگر کسی حفره های کافی را ایجاد کند، سیستم حالات پایه ی خود را از یک عایق به یک ابررسانا تغییر می دهد.

در حالت عادی مواد ابررسانا ، اسپین های +Cu2 سیار، اما محلی یک مایع فرمی غیر مرسوم را تشکیل می دهند ، با اسپین های quasiparticle های نشان دهنده ی ارتباطات AF قوی، حتی برای سیستم های در سطح تخدیر که از حدی که ماکزیمم می باشد، تجاوز می کند ، موادی که با نام فرا-تخدیر شناخته می شوند. اگر چه هیچ توافقی بین تئوریسین ها بر سر این که چگونه یک توضیح نظریه ای دارای جزئیات برای curpate ها ارائه کنند. راهکرد هایی که برای اینکار امتحان شد، را می توان به از پایین به بالا- یا از بالا به پایین رده بندی کرد. در راهکرد از بالا به پائین، یکی مدلی را که از قبل وجود داشته را انتخاب می کند و راه حل هایی برای انتخاب های دیگر پارامترهای مدل را توسعه می دهد ، سپس تست می کند که آیا این راه حل به نتایج منطبق بر شواهد و تجربیات رسیده اند یا نه. در یک راهکرد از پائین به بالا، یک از نتایج تجربی آغاز می کند و تلاش می کند تا یک توضیح پدیده ای از یک زیر مجموعه از نتایج تجربی را بدست آورد. سپس چند آزمایش دیگر را متناسب با توضیح بدست آمده انجام می دهد ، با ترتیب میکروسکوپی برای هر آزمایش، تا اینکه به نتایج مورد انتظار از محاسبات و مشاهدات دست بیابد. و فقط آن وقت، بدنبال یک مدل همیلتونی که راه حلش ممکن است تئوری میکروسکوپی کامل را ارائه دهد، بگردد و جستجو کند. Jonh Bardeen از این راهکرد دوم برای کار کردن بر روی ابررساناهای عادی و مرسوم استفاده کرد ، و در دانشگاه اوربانا از روش و راهکرد او برای کار برروی ابررسانای دمای بالا استفاده کردند.