Свръхпроводници и криопроводници

Свръхпроводници и криопроводници

Известен 27 чисти метали и повече от хиляда различни сплави и съединения, в които възможен е преход към свръхпроводящо състояние. Те включват чисти метали, сплави, интерметални съединения и някои диелектрични материали.

Свръхпроводници

Когато температурата спадне специфичен електрическо съпротивление на метали намалява и при много ниско (криогенни) температури, електропроводимостта на металите се доближава до абсолютна нула.

През 1911 г. при охлаждане на пръстен от замразен живак до температура 4,2 K Холандски учен Г. Камерлинг-Оннес установи, че електрическото съпротивление на пръстените изведнъж спада до много малка стойност, която не може да бъде измерена. Такова изчезване на електрическото съпротива, т.е. появата на безкрайна проводимост в материала, се нарича свръхпроводимост.

Материали с възможност преминават в свръхпроводящо състояние, когато се охладят до достатъчно ниско ниво температура, започнаха да се наричат ​​свръхпроводници. Критична температура охлаждане, при което има преход на материя в свръхпроводящо състояние, наречена температура на свръхпроводящия преход или критична температура преход Tcr.

Свръхпроводящ преход е обратим. Когато температурата се повиши до Tc, материалът се връща към нормално (непроводимо) състояние.

Характеристика на свръхпроводниците се състои в това, че веднъж индуциран в свръхпроводяща верига, електрически токът ще циркулира дълго време (години) по тази верига без забележимо намаляване на неговата сила и, освен това, без допълнително снабдяване с енергия отвън. Подобно на постоянен магнит, такава верига създава в околните пространство магнитно поле.

През 1933 г. немските физици В. Майснер и Р. Оксенфелд установяват, че свръхпроводниците при прехода към свръхпроводящи държавата се превръща в идеални диамагнети. Следователно външното магнитно поле не прониква в свръхпроводящо тяло. Ако преминаването на материала към свръхпроводящо състояние възниква в магнитно поле, след което полето се «изтласква» от свръхпроводник.

Известни свръхпроводници имат много ниски критични температури на прехода Tc. Следователно устройствата в които използват свръхпроводници, трябва да работят при условия на охлаждане течен хелий (температурата на втечняване на хелий при нормално налягане е около 4.2 ДА СЕ). Това усложнява и увеличава разходите за производство и експлоатация на свръхпроводници материали.

Освен живак, свръхпроводимост е присъщ на други чисти метали (химични елементи) и различни сплави и химични съединения. Най -много обаче метали като сребро и мед достигнатите в момента ниски температури се превръщат в свръхпроводящи условието се провали.

Възможности за използване на явлението свръхпроводимостта се определят от стойностите на температурата на прехода към свръхпроводящия състояние на Tc и критична сила на магнитното поле.

Свръхпроводящи материали разделени на меки и твърди. Меките свръхпроводници включват чисти метали, с изключение на ниобий, ванадий, телур. Основният недостатък на меките свръхпроводници е ниската стойност на критичната сила на магнита полета.

В електротехниката мек свръхпроводници не се използват, тъй като свръхпроводящото състояние в тях материалите изчезват вече в слаби магнитни полета при ниски плътности на тока.

Твърдите свръхпроводници включват сплави с изкривени кристални решетки. Те запазват свръхпроводимостта дори при относително високи плътности на тока и силни магнитни полета.

Свойства на твърдите свръхпроводници бяха открити в средата на този век и досега проблемът на тяхното изследванията и приложението са един от най -важните проблеми на съвременната наука и технология.

Твърдите свръхпроводници имат редица функции:

• в при охлаждане преходът към свръхпроводящо състояние не се случва рязко, както в меки свръхпроводници и за определена температура интервал;

• някои на твърди свръхпроводници имат не само относително високи стойности критична температура на преход Tc, но и относително високи стойности критична магнитна индукция Вкр;

• в промени в магнитната индукция, могат да се наблюдават междинни състояния между свръхпроводящ и нормален;

• имам склонността към разсейване на енергия при преминаване на променлив ток през тях;

• пристрастяване свойства на свръхпроводимост от технологични начини на производство, чистота материал и съвършенството на кристалната му структура.

По технологични свойства Твърдите свръхпроводници са разделени на следните типове:

• относително лесно деформируем, от който тел и ленти [ниобий, ниобий-титанови сплави (Nb-Ti), ванадий-галий (V-Ga)];

• трудно подлежащи на деформация поради крехкост, от които се получават продукти по методи прахова металургия (интерметални материали като ниобиев станид Nb3Sn).

Често свръхпроводящи проводници покрити със «стабилизираща» обвивка, изработена от мед или друга силно проводима електричество и топлината на метала, което дава възможност да се избегнат повреди основният материал на свръхпроводника с случайно повишаване на температурата.

В някои случаи използвайте композитни свръхпроводящи проводници, в които голям брой тънки от нишковидни свръхпроводници е затворена в масивна обвивка от мед или друга непроводящ материал.

Свръхпроводящи филми материалите имат специални свойства:

• критичен температурата на преход Tcr в някои случаи значително надвишава Tcr насипно състояние материали;

• голям стойностите на ограничаващите токове, преминали през свръхпроводника;

• по-малко температурен диапазон на прехода към свръхпроводящо състояние.

Свръхпроводниците се използват, когато създаване на: електрически машини и трансформатори с малка маса и размери с висок коефициент на ефективност; големи кабелни линии за пренос на енергия мощност на дълги разстояния; особено вълноводи с ниско затихване; кара устройства за енергия и памет; магнитни лещи на електронни микроскопи; бобини индуктивност с отпечатано окабеляване.

Въз основа на филм свръхпроводници създадоха редица устройства за съхранение и елементи за автоматизация и изчислителна технология.

Електромагнитни намотки от свръхпроводниците дават възможност да се получат максимално възможните стойности на якост магнитно поле.

Криозонди

Някои металите могат да достигнат при ниски (криогенни) температури много малки стойността на специфичното електрическо съпротивление p, което е стотици и хиляди пъти по -малко от електрическото съпротивление при нормална температура. Материали с тези свойства се наричат ​​криопроводници (хиперпроводници).

Физически явлението криопроводимост не е подобно на явлението свръхпроводимост. Плътност на тока в криопроводниците при работни температури е хиляди пъти по -висока от плътността на тока в тях при нормална температура, което определя използването им при силен ток електрически устройства, които са предмет на високи изисквания за надеждност и експлозивна безопасност.

Приложение криопроводници в електрически машини, кабели и др. има съществен предимство пред свръхпроводниците.

Ако в свръхпроводящите устройства използват течност хелий, работата на криопроводниците се осигурява поради по -високото кипене и евтини хладилни агенти — течен водород или дори течен азот. Това опростява и намалява разходите за производство и експлоатация на устройството. Необходимо е обаче да се обмисли технически трудности, които възникват при използване на течен водород, образувайки, при определено съотношение на компоненти, експлозивна смес с въздух.

Като криопроцесорите използват мед, алуминий, сребро, злато.

Източник Информация: «Електроматериалистика» Журавлева Л. В.