This site is not complete. The work to converting the volumes of സര്‍വ്വവിജ്ഞാനകോശം is on progress. Please bear with us
Please contact webmastersiep@yahoo.com for any queries regarding this website.
Reading Problems? see Enabling Malayalam
അതിചാലകത
സര്‍വ്വവിജ്ഞാനകോശം സംരംഭത്തില്‍ നിന്ന്
അതിചാലകത
Superconductivity
വളരെ കുറഞ്ഞ താപനിലയില്‍ ചില പദാര്‍ഥങ്ങള്‍ പ്രകടമാക്കുന്ന വിദ്യുത് സ്വഭാവവിശേഷം. പ്രതിരോധകതാ മൂല്യം പൂജ്യമായി തീരുന്നതും ആന്തര കാന്തികമണ്ഡലത്തെ പദാര്‍ഥം പൂര്‍ണമായും പുറംതള്ളുന്നതും (മീസ്നര്‍ പ്രഭാവം) ഇതിനു ഉദാഹരണങ്ങളാണ്. 1911-ല്‍ കാമര്‍ലിംഗ് ഓണസ് എന്ന ഡച്ച് ശാസ്ത്രജ്ഞനാണ് ആദ്യമായി മെര്‍ക്കുറി(രസം)യില്‍ അതിചാലകതാ സ്വഭാവം കണ്ടുപിടിച്ചത്. ഘനീഭവിച്ച രസത്തെ വീണ്ടും തണുപ്പിച്ചപ്പോള്‍ 4.1 k (-2690C) താപനിലയില്‍ അതിന്റെ വൈദ്യുത പ്രതിരോധം പെട്ടെന്ന് അപ്രത്യക്ഷമായതായി ഓണസ് കണ്ടുപിടിച്ചു. മറ്റു പല ലോഹങ്ങളിലും മിശ്രലോഹങ്ങളിലും (alloys) ലോഹയൌഗികങ്ങളിലും (mettallic compounds) ഈ സ്വഭാവവിശേഷം ഉള്ളതായി പിന്നീട് കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്. അതിചാലകതയിലേക്ക് മാറുന്ന താപനിലയെ സംക്രമണ താപനില (transition temperature or critical temperature) എന്നു പറയുന്നു. ഈ താപനിലയ്ക്കു മുകളില്‍ ഈ ചാലകങ്ങള്‍ക്ക് സാധാരണ പ്രതിരോധം ഉണ്ടായിരിക്കും. അതിചാലകതാ പദാര്‍ഥങ്ങളുടെ സംക്രമണ താപനില പൊതുവേ കെല്‍വിന്‍ മൂല്യത്തിലാണ് രേഖപ്പെടുത്തുന്നത്.
സാധാരണഗതിയില്‍ ഒരു വൈദ്യുതവാഹിയിലൂടെ പ്രവഹിക്കുന്ന വൈദ്യുതോര്‍ജത്തിന്റെ ഒരു ഭാഗം, വാഹിയുടെ പ്രതിരോധത്തെ അതിജീവിക്കുവാന്‍ വേണ്ടി വിനിയോഗിക്കപ്പെടുന്നു. ഇതുമൂലം വൈദ്യുതവാഹിയുടെ താപനില വര്‍ധിക്കുവാനുമിടയാകുന്നു. അതിനാല്‍ സാധാരണ വൈദ്യുതവാഹികളിലൂടെ അതിശക്തമായ വൈദ്യുതപ്രവാഹത്തിനുള്ള സാധ്യത പരിമിതമാണ്. എന്നാല്‍ അതിചാലകാവസ്ഥയിലെത്തിയ വസ്തുവിന്റെ പ്രതിരോധം നിസ്സാരമായതിനാല്‍ അതുമൂലമുണ്ടാകുന്ന ഊര്‍ജനഷ്ടവും താപനിലയുടെ വര്‍ധനവും നിസ്സാരമായിരിക്കും. സമര്‍ഥമായ വൈദ്യുതവാഹികള്‍ എന്ന നിലയില്‍ അതിചാലകവസ്തുക്കള്‍ വ്യാവസായിക പ്രാധാന്യം അര്‍ഹിക്കുന്നവയാണ്.
ഏകദേശം 29 ഓളം മൂലകങ്ങള്‍ (പട്ടിക നോക്കുക) അതിചാലകത പ്രദര്‍ശിപ്പിക്കുന്നതായി കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്. ലോഹയൌഗികങ്ങളിലും മിശ്രലോഹങ്ങളിലും അതിചാലകത കണ്ടുപിടിച്ചിട്ടുണ്ട്. എന്നാല്‍ ശുദ്ധലോഹത്തില്‍ കൃത്യമായി നിര്‍ണയിക്കാവുന്ന താപനിലയുടെ ഒരു ഘട്ടത്തിലാണ് ഈ സംക്രമണം ഉണ്ടാകുന്നത്. ലോഹയൌഗികങ്ങളിലും മിശ്രലോഹങ്ങളിലും അതിചാലകതയിലേക്കുള്ള സംക്രമണം ഉണ്ടാകുന്നത് ഒന്നോ രണ്ടോ ഡിഗ്രി വരുന്ന സാമാന്യം വിസ്തൃതമായ താപനിലാന്തരാളത്തിലാണ് (temperature interval). അതിചാലകതയുള്ള ഒരു മൂലകത്തിന് അനേകം ഐസോടോപ്പുകള്‍ ഉണ്ടെങ്കില്‍ അവയെല്ലാംതന്നെ അതിചാലകങ്ങളായിരിക്കും. എന്നാല്‍ അവയുടെ സംക്രമണ താപനില അല്‍പ്പാല്‍പ്പം വ്യത്യാസപ്പെട്ടിരിക്കുമെന്നു മാത്രം.
കാന്തികമണ്ഡലത്തില്‍ വച്ചിരിക്കുന്ന ഒരു ലോഹം അതിചാലകമായിത്തീരുമ്പോള്‍ കാന്തികമണ്ഡലത്തെ അതിന്റെ അകത്തുനിന്നും പുറത്തേക്കു തള്ളുന്നു എന്നതാണ് അതിചാലകങ്ങളുടെ ഒരു പ്രത്യേകത. അതിചാലകാവസ്ഥയില്‍ അവ പ്രതികാന്തിക (diamagnetic)മായി മാറുന്നു. ഈ പ്രതിഭാസത്തെയാണ് മീസ്നര്‍ പ്രതിഭാസം എന്നുപറയുന്നത്. കാന്തികമണ്ഡലത്തിന്റെ തീവ്രത വര്‍ദ്ധിപ്പിച്ചാല്‍ അതിചാലകത നഷ്ടപ്പെടുകയും ചെയ്യും. ഈ നിര്‍ണായക കാന്തികതീവ്രത, താപനിലയെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. നിര്‍ണായക കാന്തിക തീവ്രതയും (H_c) താപനിലയും (T) തമ്മിലുള്ള ഒരേകദേശ ബന്ധമാണ് H_c=H_o(1-T^2/TC^2). ഇവിടെ T_c സംക്രമണ താപനിലയും H_o എന്നത് 0 k-യില്‍ അതിചാലകത നശിപ്പിക്കുവാനാവശ്യമായ കാന്തിക തീവ്രതയുമാണ്. ഒരു നിര്‍ണായക കാന്തിക തീവ്രതയില്‍ പൂര്‍ണമായി കാന്തികമണ്ഡലത്തെ പുറംതള്ളുന്ന അതിചാലകങ്ങളെ ടൈപ്പ് I അതിചാലകങ്ങള്‍ എന്ന് പറയുന്നു. അറിയപ്പെടുന്ന ശുദ്ധമൂലക അതിചാലകങ്ങ(നിയോബിയം ഒഴികെ)ളെല്ലാം തന്നെ ടൈപ്പ് I ആണ്. ടൈപ്പ് II അതിചാലകങ്ങളില്‍ കാന്തിക തീവ്രത Hc_1 ആകുമ്പോള്‍ കാന്തിക മണ്ഡലം ഭാഗികമായി മാത്രമെ പുറംതള്ളപ്പെടുന്നുള്ളു. കാന്തികതീവ്രത വര്‍ദ്ധിക്കുമ്പോള്‍ കാന്തികമണ്ഡലം കൂടുതലായി അകത്ത് പ്രവേശിക്കുകയും കാന്തികതീവ്രത പിന്നേയും വര്‍ദ്ധിച്ച് Hc_2 ആകുമ്പോള്‍ അതിചാലകത നഷ്ടപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നു. അതുകാരണം Hc_2 ടൈപ്പ് II അതിചാലകങ്ങള്‍ അതിതീവ്രതയുള്ള കാന്തികമണ്ഡലങ്ങളിലും (Hc_2-നെക്കാള്‍ കുറഞ്ഞ) അതിചാലകങ്ങളായിരിക്കും. ടൈപ്പ് II അതിചാലകങ്ങളാണ് ശക്തിയേറിയ കാന്തങ്ങളില്‍ ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നത്. മിശ്രലോഹങ്ങള്‍ ടൈപ്പ് II അതിചാലകങ്ങളാണ്.
അതിചാലകത കണ്ടുപിടിച്ചതിന് ശേഷം അതു വിശദീകരിക്കുന്ന പല സിദ്ധാന്തങ്ങളും ഉണ്ടായെങ്കിലും അതു വ്യക്തമായി വിശദീകരിച്ചത് 1957-ല്‍ ജെ. ബാര്‍ഡീന്‍, എല്‍.എന്‍. കൂപ്പര്‍, ജെ.ആര്‍. ഷ്രീഫര്‍ എന്നിവര്‍ രൂപീകരിച്ച ബി.സി.എസ്. (BCS) സിദ്ധാന്തമാണ്. സംക്രമണ താപനിലയില്‍ എത്തുമ്പോള്‍ രണ്ട് ഇലക്ട്രോണുകള്‍ കൂടിച്ചേര്‍ന്ന് (അതായത് ഇലക്ട്രോണ്‍ - ഫോണോണ്‍ - ഇലക്ട്രോണ്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തിലൂടെ) കൂപ്പര്‍ ജോടികളായി മാറുകയും അതിചാലകാവസ്ഥയിലായിത്തീരുകയും ചെയ്യുന്നു.
1986 വരെ 30 k താപനിലയില്‍ താഴെമാത്രമാണ് അതിചാലകാവസ്ഥ കണ്ടിരുന്നത്. 98 k താപനിലയില്‍ വരെ അതിചാലകാവസ്ഥ നിലനിര്‍ത്തുന്ന ടൈപ്പ് II അതിചാലകങ്ങള്‍ 1987-ല്‍ കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ടു. ഇപ്പോള്‍ 135 k വരേയും അതിചാലകാവസ്ഥ നിലനിര്‍ത്തുന്ന പദാര്‍ഥങ്ങള്‍ കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്. ചെമ്പും ഓക്സിജനും അടങ്ങിയതാണ് ഇതിലധികം അതിചാലകങ്ങളും. ഈ പദാര്‍ഥങ്ങള്‍ സെറാമിക്കുകളാണ്. ചെലവുകുറഞ്ഞ ദ്രവീകൃത നൈട്രജന്റെ താപനിലയില്‍ (77 k) അതിചാലകങ്ങള്‍ ലഭിക്കുമെന്നുള്ളതുകൊണ്ട് ഇവയുടെ പ്രയോജനം വളരെ വലുതാണ്. എളുപ്പം പൊടിഞ്ഞുപോകുന്നു എന്നുള്ളതാണ് അവ ഉപയോഗിക്കുന്നതിനുള്ള വൈഷമ്യം.
അതിതീവ്രമായ കാന്തികമണ്ഡലം ഊര്‍ജനഷ്ടം കൂടാതെ സൃഷ്ടിക്കാമെന്നതാണ് അതിചാലകങ്ങളുടെ ഏറ്റവും വലിയ ഉപയോഗം. സാധാരണ വൈദ്യുതവാഹികള്‍ ഉപയോഗിക്കുമ്പോള്‍ ശക്തമായ കാന്തികമണ്ഡലം സൃഷ്ടിക്കുന്നതിനാവശ്യമായി വരുന്ന വര്‍ദ്ധിച്ച തോതിലുള്ള വൈദ്യുത ശക്തിയും ബൃഹത്തായ ശീതീകരണ യന്ത്രോപകരണങ്ങളും അതിചാലകങ്ങളുടെ ഉപയോഗം വഴി ഒഴിവാക്കാന്‍ കഴിയും. ശക്തമായ ഇത്തരം അതിചാലക കാന്തങ്ങള്‍ വിദ്യുച്ഛക്തി ഉത്പ്പാദിപ്പിക്കുവാനും കാന്തികഊര്‍ജം സംഭരിക്കുവാനും ഉപയോഗിക്കുന്നു. അതിചാലക കാന്തങ്ങള്‍ തീവണ്ടി ബോഗികള്‍ക്കിടയില്‍ ഘടിപ്പിച്ച് കാന്തിക-പ്ളവനം (magnetic levitation) വഴി അതിവേഗതയില്‍ സഞ്ചരിക്കുന്ന തീവണ്ടി ഗതാഗതം ജപ്പാനിലെ ടോക്കിയോ-ഒസാക്കാ നഗരങ്ങളെ യോജിപ്പിക്കുന്നു. ആരോഗ്യരംഗത്ത് ഉപയോഗിക്കുന്ന എം.ആര്‍.ഐ. (MRI) ഉപകരണങ്ങളില്‍ ഈ കാന്തങ്ങളാണ് ഉപയോഗിക്കുന്നത്. വൈദ്യുത മോട്ടോറുകള്‍, ട്രാന്‍സ്ഫോര്‍മറുകള്‍, ന്യൂക്ളിയര്‍ ഫ്യൂഷന്‍ പരീക്ഷണങ്ങളിലുപയോഗിക്കുന്ന ടോക്കമോക്കുകള്‍ എന്നിവയിലും അതിചാലകങ്ങള്‍ ഉപയോഗിച്ചു വരുന്നു.
അതിസൂക്ഷ്മ ഉപകരണങ്ങളായും അതിചാലകങ്ങള്‍ പ്രയോജനപ്പെടുത്തുന്നുണ്ട്. കാന്തിക മണ്ഡലങ്ങളും വൈദ്യുത വോള്‍ട്ടതകളും അളക്കുന്നതിനുള്ള അതിചാലക ക്വാണ്ടം വ്യതികരണ ഡിറ്റക്ടറുകളാണ് (SQUIDS-superconducting quantum interference detectors) അവയില്‍ പ്രധാനം. അതിസൂക്ഷ്മങ്ങളായ ഇന്‍ഫ്രാറെഡ് ഡിറ്റക്ടറുകള്‍, മൈക്രോവേവ് ഡിറ്റക്ടറുകള്‍ എന്നിവയിലും മൈക്രോവേവ് ഉപകരണങ്ങളിലും, ഡിജിറ്റല്‍ പരിപഥങ്ങളിലും എല്ലാം അതിചാലകങ്ങള്‍ ഉപയോഗപ്പെടുത്തി വരുന്നു. വളരെ കുറഞ്ഞ ഊര്‍ജച്ചെലവും അതിവേഗം സ്വിച്ച് ചെയ്യാനുള്ള കഴിവും, ഉയര്‍ന്ന സംവേദന ക്ഷമതയുമാണ് ഈ ഉപകരണങ്ങളുടെ നേട്ടം.
(ഡോ. വി. ഉണ്ണികൃഷ്ണന്‍ നായര്‍, സ.പ.)
