Nadprzewodniki i krioprzewodniki
Nadprzewodniki i krioprzewodniki
Znanych jest 27 czystych metali oraz ponad tysiąc różnych stopów i związków, w których możliwe jest przejście do stanu nadprzewodzącego. Należą do nich czyste metale, stopy, związki międzymetaliczne i niektóre materiały dielektryczne.
Nadprzewodniki
Kiedy temperatura spada specyficzna oporność elektryczna metali maleje iw bardzo niskich (kriogenicznych) temperaturach przewodność elektryczna metali zbliża się do zera absolutnego.
W 1911 r., podczas chłodzenia pierścienia zamarzniętej rtęci do temperatury 4,2 K, holenderski naukowiec G. Kamerling-Onnes stwierdził, że opór elektryczny pierścieni nagle spadł do bardzo małej wartości, której nie można było zmierzyć. Taki zanik oporu elektrycznego, tj. pojawienie się nieskończonej przewodności w materiale nazywa się nadprzewodnictwem.
Nadprzewodnikami zaczęto nazywać materiały zdolne do przejścia w stan nadprzewodzący po schłodzeniu do wystarczająco niskiego poziomu temperatury.Krytyczna temperatura stygnięcia, w której następuje przejście materii w stan nadprzewodzący, nazywana jest temperaturą przejścia w stan nadprzewodzący lub krytyczną temperaturą przejścia Tcr.
Przejście nadprzewodzące jest odwracalne. Gdy temperatura wzrośnie do Tc, materiał powraca do swojego normalnego (nie przewodzącego) stanu.
Cechą charakterystyczną nadprzewodników jest to, że raz zaindukowany w obwodzie nadprzewodzącym prąd elektryczny będzie krążył przez długi czas (lata) wzdłuż tego obwodu bez zauważalnego zmniejszenia jego natężenia, a ponadto bez dodatkowego dopływu energii z zewnątrz. Jak magnes trwały, taki obwód tworzy się w otaczającej przestrzeni pole magnetyczne.
W 1933 r. niemieccy fizycy V. Meissner i R. Oxenfeld ustalili, że nadprzewodniki podczas przejścia do stanu nadprzewodzącego stają się idealnymi diamagnesami. Dlatego zewnętrzne pole magnetyczne nie przenika ciała nadprzewodzącego. Jeśli przejście materiału do stanu nadprzewodzącego następuje w polu magnetycznym, to pole jest „wypychane” z nadprzewodnika.
Znane nadprzewodniki mają bardzo niskie krytyczne temperatury przejścia Tc. Dlatego urządzenia, w których wykorzystują nadprzewodniki, muszą pracować w warunkach chłodzenia ciekłym helem (temperatura skraplania helu przy normalnym ciśnieniu wynosi około 4,2 DA SE). To komplikuje i zwiększa koszty produkcji i eksploatacji materiałów nadprzewodzących.
Oprócz rtęci nadprzewodnictwo występuje w innych czystych metalach (pierwiastkach chemicznych) oraz w różnych stopach i związkach chemicznych. Jednak w przypadku większości metali, takich jak srebro i miedź, niskie temperatury osiągane w tej chwili stają się nadprzewodnikami, jeśli warunek zawiedzie.
Możliwości wykorzystania zjawiska nadprzewodnictwa określają wartości temperatury przejścia do stanu nadprzewodnictwa Tc oraz krytycznej siły pola magnetycznego.
Podział materiałów nadprzewodzących na miękkie i twarde. Miękkie nadprzewodniki obejmują czyste metale, z wyjątkiem niobu, wanadu, telluru. Główną wadą miękkich nadprzewodników jest niska wartość krytycznego natężenia pola magnetycznego.
W elektrotechnice nie stosuje się miękkich nadprzewodników, ponieważ stan nadprzewodnictwa w nich zanika już w słabych polach magnetycznych przy małych gęstościach prądu.
Stałe nadprzewodniki obejmują stopy ze zniekształconymi sieciami krystalicznymi. Zachowują nadprzewodnictwo nawet przy stosunkowo dużych gęstościach prądu i silnych polach magnetycznych.
Właściwości stałych nadprzewodników zostały odkryte w połowie tego stulecia i do tej pory problem ich badania i zastosowania jest jednym z najważniejszych problemów współczesnej nauki i techniki.
Stałe nadprzewodniki pełnią szereg funkcji:
-
podczas chłodzenia przejście do stanu nadprzewodzącego nie następuje nagle, jak w miękkich nadprzewodnikach iw pewnym przedziale temperatur;
-
niektóre nadprzewodniki stałe mają nie tylko stosunkowo wysokie wartości krytycznej temperatury przejścia Tc, ale także stosunkowo wysokie wartości krytycznej indukcji magnetycznej Vkr;
-
w zmianach indukcji magnetycznej można zaobserwować stany pośrednie między stanem nadprzewodzącym a stanem normalnym;
-
mają tendencję do rozpraszania energii podczas przepuszczania przez nie prądu przemiennego;
-
uzależniające właściwości nadprzewodnictwa od technologicznych metod produkcji, czystości materiału i doskonałości jego struktury krystalicznej.
Zgodnie z właściwościami technologicznymi stałe nadprzewodniki dzielą się na następujące typy:
-
stosunkowo łatwo odkształcalne, w tym druty i taśmy [niob, stopy niobowo-tytanowe (Nb-Ti), wanadowo-galowe (V-Ga)];
-
trudne do odkształcenia ze względu na kruchość, z których produkty otrzymuje się metodami metalurgii proszków (materiały międzymetaliczne, takie jak stanek niobu Nb3Sn).
Często druty nadprzewodzące pokryte „stabilizującą” osłoną wykonaną z miedzi lub innego wysoce przewodzącego materiału Elektryczność oraz ciepło metalu, co pozwala uniknąć uszkodzenia materiału podstawowego nadprzewodnika przez przypadkowy wzrost temperatury.
W niektórych przypadkach stosuje się kompozytowe druty nadprzewodzące, w których duża liczba cienkich włókien materiału nadprzewodzącego jest zamknięta w stałej osłonie z miedzi lub innego nieprzewodzącego materiału.
Nadprzewodzące materiały filmowe mają specjalne właściwości:
-
krytyczna temperatura przejścia Tcr w niektórych przypadkach znacznie przekracza Tcr materiałów sypkich;
-
duże wartości prądów granicznych przepływających przez nadprzewodnik;
-
mniejszy zakres temperatur przejścia do stanu nadprzewodzącego.
Nadprzewodniki wykorzystywane są przy tworzeniu: maszyn elektrycznych i transformatorów o małej masie i gabarytach o wysokim współczynniku sprawności; duże linie kablowe do przesyłu energii na duże odległości; falowody o szczególnie niskim tłumieniu; napędza urządzenia zasilające i pamięciowe; soczewki magnetyczne do mikroskopów elektronowych; cewki indukcyjne z drukowanym okablowaniem.
W oparciu o nadprzewodniki foliowe stworzono szereg urządzeń pamięci masowej i elementy automatyki i technologii komputerowej.
Cewki elektromagnetyczne z nadprzewodników umożliwiają uzyskanie maksymalnych możliwych wartości natężenia pola magnetycznego.
Kriosondy
Niektóre metale mogą osiągać w niskich (kriogenicznych) temperaturach bardzo małą wartość właściwego oporu elektrycznego p, która jest setki i tysiące razy mniejsza niż opór elektryczny w normalnej temperaturze. Materiały o takich właściwościach nazywane są krioprzewodnikami (nadprzewodnikami).
Fizycznie zjawisko krioprzewodnictwa nie jest podobne do zjawiska nadprzewodnictwa. Gęstość prądu w krioprzewodnikach w temperaturach roboczych jest tysiące razy większa niż gęstość prądu w nich w normalnej temperaturze, co determinuje ich zastosowanie w wysokoprądowych urządzeniach elektrycznych, którym stawiane są wysokie wymagania dotyczące niezawodności i bezpieczeństwa wybuchowego.
Zastosowanie krioprzewodników w maszynach elektrycznych, kablach itp. ma znaczną przewagę nad nadprzewodnikami.
Jeśli w urządzeniach nadprzewodzących stosuje się ciekły hel, działanie krioprzewodników jest zapewnione ze względu na wyższą temperaturę wrzenia i tanie czynniki chłodnicze — ciekły wodór lub nawet ciekły azot. Upraszcza to i obniża koszty produkcji i eksploatacji urządzenia. Należy jednak wziąć pod uwagę trudności techniczne, które pojawiają się przy stosowaniu ciekłego wodoru, tworzącego przy określonym stosunku składników mieszaninę wybuchową z powietrzem.
Jako krioprocesory wykorzystuje się miedź, aluminium, srebro, złoto.
Informacje źródłowe: „Elektromateriały” Zhuravleva L. V.