Информационно-познавательный сайт     Материаловедение     Электроматериаловедение  

3. Проводниковые материалы

3.6.1. Сверхпроводники


top include

 

Меню разделов:
Аквариумистика
Биология
Вирусология
История
Материаловедение
Менеджмент
Радиоэлектроника
Фармация
Физика

 

top-2 include right include

 

При понижении температуры удельное электрическое сопротивление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) температурах электропроводность металлов приближается к абсолютному нулю.

В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до температуры 4,2 К голландский ученый Г.Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ρ кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т. е. появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью. Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводимое состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводимого перехода или критической температурой перехода Ткр. Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повышении температуры до Ткр материал возвращается в нормальное (непроводящее) состояние.

Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.

В 1933 г. немецкие физики В.Майснер и Р.Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнентиками, т.е. их магнитная проницаемость μ скачком падает от μ = 1 до μ = 0. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника (рис. 3.4).

 

Магнитное поле с введенным в него сверхпроводником

 

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Ткр. Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым металлам (химическим элементам) и различным сплавам и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось. Возможности использования явления сверхпроводимости определяются значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Ткр и критической напряженности магнитного поля Hкр.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые.

К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля Hкр.

В радиотехнике мягкие сверхпроводники не применяются, поскольку сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока.

К твердым сверхпроводникам относят сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях. Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники.

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:

- при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;

- некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно высокие значения критической температуры перехода Ткр, но и относительно высокие значения критической магнитной индукции Bкр;

- при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

- имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

- зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:

- сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)];

- трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметаллические материалы типа станнида ниобия Nb3Sn).

Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизирующей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случайном повышении температуры. В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную оболочку из меди или другого несверхпроводникового материала.

Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства:

- критическая температура перехода Ткр в ряде случаев значительно превышает Ткр объемных материалов;

- большие значения предельных токов, пропускаемых через сверхпроводник Iкр;

- меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводники используют при создании:

- электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия;

- кабельных линий для передачи энергии большой мощности на большие расстояния;

- волноводов с особо малым затуханием;

- накопителей энергии и устройств памяти;

- магнитных линз электронных микроскопов;

- катушек индуктивности с печатным монтажом.

На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники. Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля. Свойства некоторых сверхпроводниковых материалов приведены в табл. 3.9.

 

Основные свойства некоторых сверхпроводниковых материалов

  

 

3.1. Классификация проводниковых материалов
3.2. Основные свойства и характеристики проводниковых материалов
3.3. Материалы с высокой проводимостью
    3.3.1. Медь и её сплавы
    3.3.2. Алюминий и его сплавы
    3.3.3. Железо и его сплавы
    3.3.4. Натрий
3.4. Материалы с высоким сопротивлением
    3.4.1. Проводниковые резистивные материалы
    3.4.2. Пленочные резистивные материалы
    3.4.3. Материалы для термопар
3.5. Проводниковые материалы и сплавы различного применения
    3.5.1. Благородные металлы
    3.5.2. Тугоплавкие металлы
    3.5.3. Ртуть Hg
    3.5.4. Галлий Ga
    3.5.5. Индий In
    3.5.6. Олово Sn
    3.5.7. Кадмий Cd
    3.5.8. Свинец Pb
    3.5.9. Цинк Zn
3.6. Сверхпроводники и криопроводники
    3.6.1. Сверхпроводники
    3.6.2. Криопроводники
3.7. Неметаллические проводниковые материалы
    3.7.1. Материалы для электроугольных изделий
    3.7.2. Проводящие и резистивные композиционные материалы
    3.7.3. Контактолы
3.8. Материалы для подвижных контактов
    3.8.1. Материалы для скользящих контактов
    3.8.2. Материалы для размыкающих контактов
3.9. Припои
3.10. Металлокерамика
3.11. Металлические покрытия
3.12. Проводниковые изделия

botton include

 


author include