Supraledare och kryoledare
Supraledare och kryoledare
Kända 27 rena metaller och mer än tusen olika legeringar och föreningar där en övergång till ett supraledande tillstånd är möjlig. Dessa inkluderar rena metaller, legeringar, intermetalliska föreningar och vissa dielektriska material.
Supraledare
När temperaturen sjunker specifik elektrisk resistans hos metaller minskar och vid mycket låga (kryogena) temperaturer närmar sig metallers elektriska ledningsförmåga absoluta noll.
1911, när en ring av fruset kvicksilver kyldes till en temperatur av 4,2 K, fann den holländska forskaren G. Kamerling-Onnes att ringarnas elektriska resistans plötsligt sjönk till ett mycket litet värde som inte gick att mäta. Sådant försvinnande av elektriskt motstånd, dvs. uppkomsten av oändlig ledningsförmåga i ett material kallas supraledning.
Material med förmågan att övergå i ett supraledande tillstånd när de kyls till en tillräckligt låg temperaturnivå började kallas supraledare.Den kritiska kyltemperaturen vid vilken det sker en övergång av materia till ett supraledande tillstånd kallas supraledande övergångstemperatur eller kritisk övergångstemperatur Tcr.
En supraledande övergång är reversibel. När temperaturen stiger till Tc återgår materialet till sitt normala (icke-ledande) tillstånd.
En egenskap hos supraledare är att när den väl inducerats i en supraledande krets kommer den elektriska strömmen att cirkulera under en lång tid (år) längs denna krets utan nämnvärd minskning av dess styrka och dessutom utan ytterligare tillförsel av energi utifrån. Som en permanentmagnet skapar en sådan krets i det omgivande utrymmet magnetiskt fält.
1933 slog de tyska fysikerna V. Meissner och R. Oxenfeld fast att supraledare under övergången till supraledande tillstånd blir idealiska diamagneter. Därför penetrerar inte det externa magnetfältet en supraledande kropp. Om övergången av materialet till ett supraledande tillstånd sker i ett magnetiskt fält, så "skjuts" fältet ut ur supraledaren.
Kända supraledare har mycket låga kritiska övergångstemperaturer Tc. Därför måste anordningar där de använder supraledare arbeta under kylningsförhållanden med flytande helium (förvätsningstemperaturen för helium vid normalt tryck är cirka 4,2 DA SE). Detta komplicerar och ökar kostnaderna för tillverkning och drift av supraledande material.
Förutom kvicksilver är supraledning inneboende i andra rena metaller (kemiska grundämnen) och olika legeringar och kemiska föreningar. Men på de flesta metaller som silver och koppar blir de låga temperaturer som uppnås för tillfället supraledande om tillståndet misslyckas.
Möjligheterna att använda fenomenet supraledning bestäms av värdena på temperaturen för övergången till det supraledande tillståndet av Tc och den kritiska styrkan hos magnetfältet.
Supraledande material uppdelat i mjukt och hårt. Mjuka supraledare inkluderar rena metaller, förutom niob, vanadin, tellur. Den största nackdelen med mjuka supraledare är det låga värdet på den kritiska magnetfältstyrkan.
Inom elektroteknik används inte mjuka supraledare, eftersom det supraledande tillståndet i dem försvinner redan i svaga magnetfält vid låga strömtätheter.
Solida supraledare inkluderar legeringar med förvrängda kristallgitter. De behåller supraledning även vid relativt höga strömtätheter och starka magnetfält.
Fasta supraledares egenskaper upptäcktes i mitten av detta århundrade, och fram till nu är problemet med deras forskning och tillämpning ett av de viktigaste problemen inom modern vetenskap och teknik.
Solida supraledare har ett antal funktioner:
-
vid kylning sker inte övergången till supraledande tillstånd abrupt, som i mjuka supraledare och under ett visst temperaturintervall;
-
några av solida supraledare har inte bara relativt höga värden för kritisk övergångstemperatur Tc, utan också relativt höga värden för kritisk magnetisk induktion Vkr;
-
i förändringar i magnetisk induktion kan mellanliggande tillstånd mellan supraledande och normal observeras;
-
har en tendens att avleda energi när växelström passerar genom dem;
-
beroendeframkallande egenskaper för supraledning från tekniska metoder för produktion, materialrenhet och perfektion av dess kristallstruktur.
Enligt tekniska egenskaper är fasta supraledare indelade i följande typer:
-
relativt lätt deformerbar av vilken tråd och remsor [niob, niob-titanium-legeringar (Nb-Ti), vanadin-gallium (V-Ga)];
-
svåra att deformera på grund av bräcklighet, från vilken produkter erhålls med pulvermetallurgiska metoder (intermetalliska material som niobstanid Nb3Sn).
Ofta supraledande ledningar täckta med en "stabiliserande" mantel gjord av koppar eller annat starkt ledande material elektricitet och metallens värme, vilket gör det möjligt att undvika skador på supraledarens basmaterial med en oavsiktlig ökning av temperaturen.
I vissa fall används sammansatta supraledande trådar, i vilka ett stort antal tunna filament av supraledande material är inneslutna i en solid mantel av koppar eller annat icke-ledande material.
Supraledande filmmaterial har speciella egenskaper:
-
kritisk övergångstemperatur Tcr överstiger i vissa fall avsevärt Tcr bulkmaterial;
-
stora värden på de begränsande strömmarna som passerar genom supraledaren;
-
mindre temperaturområde för övergången till supraledande tillstånd.
Supraledare används när man skapar: elektriska maskiner och transformatorer med liten massa och dimensioner med hög effektivitetsfaktor; stora kabellinjer för kraftöverföring över långa avstånd; speciellt lågdämpande vågledare; driver kraft- och minnesenheter; magnetiska linser av elektronmikroskop; induktansspolar med tryckta ledningar.
Baserat på film supraledare skapade ett antal lagringsenheter och automationselement och datorteknik.
Elektromagnetiska spolar från supraledare gör det möjligt att erhålla maximalt möjliga värden på magnetfältstyrka.
Kryosonder
Vissa metaller kan vid låga (kryogena) temperaturer nå ett mycket litet värde på det specifika elektriska motståndet p, vilket är hundratals och tusentals gånger mindre än det elektriska motståndet vid normal temperatur. Material med dessa egenskaper kallas kryoledare (hyperledare).
Fysiskt liknar fenomenet kryokonduktivitet inte fenomenet supraledning. Strömtätheten i kryoledare vid driftstemperaturer är tusentals gånger högre än strömtätheten i dem vid normal temperatur, vilket bestämmer deras användning i högströms elektriska apparater som är föremål för höga krav på tillförlitlighet och explosionssäkerhet.
Användning av kryoledare i elektriska maskiner, kablar m.m. har en betydande fördel jämfört med supraledare.
Om flytande helium används i supraledande enheter säkerställs driften av kryoledare på grund av den högre kokpunkten och billiga köldmedier - flytande väte eller till och med flytande kväve. Detta förenklar och minskar kostnaden för tillverkning och drift av enheten. Det är dock nödvändigt att överväga tekniska svårigheter som uppstår när man använder flytande väte, och bildar, vid ett visst förhållande av komponenter, en explosiv blandning med luft.
Som kryoprocessorer använder koppar, aluminium, silver, guld.
Källa Information: "Electromaterials" Zhuravleva L. V.