อิทธิพลของอุณหภูมิที่มีต่อความต้านทาน
การศึกษาความต้านทานของสารชนิดต่างๆ ที่กล่าวมานี้เป็นการศึกษากรณีที่อุณหภูมิคงตัวค่าหนึ่ง ถ้าอุณหภูมิของสารเปลี่ยนไป ความต้านทานจะเปลี่ยนไปหรือไม่อย่างไร จะได้ศึกษาโดยแยกพิจารณาตามประเภทของสารดังต่อไปนี้
ฉนวน เป็นสารที่มีสภาพต้านทานสูง ตัวอย่างของฉนวน ได้แก่ แก้ว ไมกา พีวีซี ยาง กระเบื้อง เป็นต้น การศึกษาสภาพต้านทานของฉนวนที่อุณหภูมิสูงๆ พบว่า สภาพต้านทานจะลดลงเล็กน้อย และถ้าฉนวนไปต่อกับความต่างศักย์ที่สูงมาก ฉนวนจะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าได้
สารกึ่งตัวนำ มีสภาพต้านทานอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน แต่มีค่าสูงกว่าสภาพต้านทานของตัวนำมาก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น พบว่า สภาพต้านทานจะลดลงอย่างรวดเร็ว แสดงว่า การนำไฟฟ้าจะดีขึ้น ดังนั้นเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีอุปกรณ์ประเภทสารกึ่งตัวนำประกอบอยู่ในวงจร จึงทำงานเป็นปกติเฉพาะช่วงอุณหภูมิที่กำหนดไว้
ตัวนำ เป็นสารที่มีสภาพต้านทานต่ำ เมื่อวัดความต้านทานของตัวนำที่เป็นโลหะบริสุทธิ์ เช่น แพลทินัม ทองแดง เงิน เป็นต้น ที่อุณหภูมิต่างๆ พบว่า โดยประมาณแล้ว ความต้านทานจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ ความรู้นี้จึงนำไปใช้สร้างเทอร์มอมิเตอร์ชนิดความต้านทาน ส่วนตัวนำที่เป็นโลหะผสมบางชนิด พบว่า เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน ความต้านทานจะเปลี่ยนน้อยมาก ความรู้นี้นำไปใช้สร้างตัวต้านทานมาตราฐาน ซึ่งมีความต้านทานคงตัว เช่น ตัวต้านทานที่ทำด้วยแมงกานิน เป็นต้น
ตัวนำยิ่งยวด เมื่อ พ.ศ.2454 พบว่า นักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์ ชื่อ ออนเนส ได้ทดลองวัดความต้านทานขแงปรอทบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์เคลวิน พบว่า ความต้านทานของปรอทลดลงเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิ 4.2 เคลวิน อุณหภูมินี้เรียกว่า อุณหภูมิวิกฤต (critical temperature) ปรอทจะอยู่ในสภาวะที่เรียกว่า สภาพนำยิ่งยวด (superconductivity) กล่าวคือ ปรอทจะมีสภาพต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์หรือมีการนำไฟฟ้าดีที่สุด
การศึกษาความต้านทานของสารชนิดต่างๆ ที่กล่าวมานี้เป็นการศึกษากรณีที่อุณหภูมิคงตัวค่าหนึ่ง ถ้าอุณหภูมิของสารเปลี่ยนไป ความต้านทานจะเปลี่ยนไปหรือไม่อย่างไร จะได้ศึกษาโดยแยกพิจารณาตามประเภทของสารดังต่อไปนี้
ฉนวน เป็นสารที่มีสภาพต้านทานสูง ตัวอย่างของฉนวน ได้แก่ แก้ว ไมกา พีวีซี ยาง กระเบื้อง เป็นต้น การศึกษาสภาพต้านทานของฉนวนที่อุณหภูมิสูงๆ พบว่า สภาพต้านทานจะลดลงเล็กน้อย และถ้าฉนวนไปต่อกับความต่างศักย์ที่สูงมาก ฉนวนจะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าได้
สารกึ่งตัวนำ มีสภาพต้านทานอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน แต่มีค่าสูงกว่าสภาพต้านทานของตัวนำมาก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น พบว่า สภาพต้านทานจะลดลงอย่างรวดเร็ว แสดงว่า การนำไฟฟ้าจะดีขึ้น ดังนั้นเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีอุปกรณ์ประเภทสารกึ่งตัวนำประกอบอยู่ในวงจร จึงทำงานเป็นปกติเฉพาะช่วงอุณหภูมิที่กำหนดไว้
ตัวนำ เป็นสารที่มีสภาพต้านทานต่ำ เมื่อวัดความต้านทานของตัวนำที่เป็นโลหะบริสุทธิ์ เช่น แพลทินัม ทองแดง เงิน เป็นต้น ที่อุณหภูมิต่างๆ พบว่า โดยประมาณแล้ว ความต้านทานจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ ความรู้นี้จึงนำไปใช้สร้างเทอร์มอมิเตอร์ชนิดความต้านทาน ส่วนตัวนำที่เป็นโลหะผสมบางชนิด พบว่า เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน ความต้านทานจะเปลี่ยนน้อยมาก ความรู้นี้นำไปใช้สร้างตัวต้านทานมาตราฐาน ซึ่งมีความต้านทานคงตัว เช่น ตัวต้านทานที่ทำด้วยแมงกานิน เป็นต้น
ตัวนำยิ่งยวด เมื่อ พ.ศ.2454 พบว่า นักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์ ชื่อ ออนเนส ได้ทดลองวัดความต้านทานขแงปรอทบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์เคลวิน พบว่า ความต้านทานของปรอทลดลงเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิ 4.2 เคลวิน อุณหภูมินี้เรียกว่า อุณหภูมิวิกฤต (critical temperature) ปรอทจะอยู่ในสภาวะที่เรียกว่า สภาพนำยิ่งยวด (superconductivity) กล่าวคือ ปรอทจะมีสภาพต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์หรือมีการนำไฟฟ้าดีที่สุด
 |
ปัจจุบันนักฟิสิกส์ พบว่า โลหะผสม สารประกอบหลายชนิดและเซรามิกก็สามารถแสดงสภาพนำยวดยิ่งได้ที่อุณหภูมิต่างๆ กัน ดังตาราง วัสดุที่มีความต้านทานเป็นศูนย์หรืออยู่ในสภาพยวดยิ่ง เรียกว่า ตัวนำยวดยิ่ง (supercondector)
วัสดุ
|
อุญหภูมิวิกฤต (K)
|
วัสดุ
|
อุณหภูมิวิกฤต (K)
|
Zn
|
0.9
|
Nb3Ge
|
23.2
|
Al
|
1.2
|
YBa2Cu3O7
|
92
|
Pb
|
7.2
|
Bi-Sr-Ca-Cu-O
|
105
|
Nb
|
9.5
|
Ti-Ba-Ca-Cu-O
|
125
|
ความรู้เกี่ยวกับสภาพนำยิ่งยวดนำไปใช้สร้างอุปกรณ์ต่างๆ เช่น
เครื่องเร่งอนุภาคกำลังสูง เป็นเครื่องมือสำหรับทำให้อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ามีพลังงานจลน์สูงมาก เพื่อใช้ในการวิจัยทางด้านฟิสิกส์นิวเคลียส์และฟิสิกส์อนุภาค ซึ่งมีหลักการ คือ ใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูง ที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าในตัวนำยวดยิ่ง เมื่อเร่งอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าให้มีพลังงานสูง ต้องให้อนุภาคเคลื่อนที่เป็นวงกลมซ้ำๆ กัน การจะทำได้เช่นนี้ต้องใช้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงมาก ถ้าลวดตัวนำธรรมดา การจะสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงต้องใช้กระแสไฟฟ้าสูง ลวดจะร้อนจนหลอมเหลว แต่ถ้าใช้ลวดที่ทำด้วยตัวนำยวดยิ่ง ซึ่งมีความต่างศักย์เป็นศูนย์ กระแสไฟฟ้าจะไม่ทำให้ลวดร้อนแต่ประการใด กระแสไฟฟ้าที่สูงจึงสามารถสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงได้
 |
รถไฟแมกเลฟ (Maglev : Magnetic Levitation Train) เป็นรถไฟอัตราเร็วสูง ขณะเคลื่อนที่ตัวรถจะลอยเหนือรางเล็กน้อย เนื่องจากสนามแม่เหล็กของรางและสนามแม่เหล็กของตัวรถที่ทำจากตัวนำยวดยิ่งผลักกัน ทำให้เกิดแรงยกตัวขึ้น รถจึงลอยเหนือรางเป็นการลดแรงเสียดทาน ที่มีผลทำให้รถไฟเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วสูงถึง 513 กิโลเมตรต่อชั่วโมง
เนื่องจากอุณหภูมิวิกฤตของสารต่างๆ มีค่าต่ำมาก การทำให้สารแสดงสภาพนำยวดยิ่งจึงต้องใช้ฮีเลียมเหลว (ที่อุณหภูมิ -269 oC) ซึ่งมีราคาแพง ดังนั้น การนำด้วยตัวนำยวดยิ่งไปใช้ประโยชน์จึงไม่แพร่หลาย จนกระทั่ง พ.ศ.2530 นักฟิสิกส์ได้ค้นพบ ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ซึ่งเป็นสารประกอบของอิตเทรียม (Y) แบเรียม (Ba) ทองแดง (Cu) และออกซิเจน (O) สารใหม่นี้เป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิวิกฤตสูงถึง 90 เคลวิน จึงสามารถใช้ไนโตรเจนเหลว (ซึ่งมีอุณหภูมิ -196 oC หรือ 77 เคลวิน) ซึ่งมีราคาถูกกว่าแทนฮีเลียมเหลวได้ การค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้กระตุ้นให้มีการวิจัยและพัฒนาเพื่อนำตัวนำยิ่งยวดมาใช้ประโยชน์ให้กว้างมากขึ้น
ประเทศไทยมีนักฟิสิกส์ที่วิจัยเรื่องตัวนำยิ่งยวดทั้งด้านปฏิบัติและทฤษฎี นักฟิสิกส์ทฤษฎีไทยที่เป็นที่ยอมรับในวงการนานาชาติ คือศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน
เนื่องจากอุณหภูมิวิกฤตของสารต่างๆ มีค่าต่ำมาก การทำให้สารแสดงสภาพนำยวดยิ่งจึงต้องใช้ฮีเลียมเหลว (ที่อุณหภูมิ -269 oC) ซึ่งมีราคาแพง ดังนั้น การนำด้วยตัวนำยวดยิ่งไปใช้ประโยชน์จึงไม่แพร่หลาย จนกระทั่ง พ.ศ.2530 นักฟิสิกส์ได้ค้นพบ ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ซึ่งเป็นสารประกอบของอิตเทรียม (Y) แบเรียม (Ba) ทองแดง (Cu) และออกซิเจน (O) สารใหม่นี้เป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิวิกฤตสูงถึง 90 เคลวิน จึงสามารถใช้ไนโตรเจนเหลว (ซึ่งมีอุณหภูมิ -196 oC หรือ 77 เคลวิน) ซึ่งมีราคาถูกกว่าแทนฮีเลียมเหลวได้ การค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้กระตุ้นให้มีการวิจัยและพัฒนาเพื่อนำตัวนำยิ่งยวดมาใช้ประโยชน์ให้กว้างมากขึ้น
ประเทศไทยมีนักฟิสิกส์ที่วิจัยเรื่องตัวนำยิ่งยวดทั้งด้านปฏิบัติและทฤษฎี นักฟิสิกส์ทฤษฎีไทยที่เป็นที่ยอมรับในวงการนานาชาติ คือศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน
